Forscher des Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) maßen die Impulsverteilung von Photoelektronen, die von Exzitonen in einer einzelnen Schicht aus Wolframdiselenid emittiert wurden, und nahmen Bilder auf, die die inneren Umlaufbahnen oder die räumliche Verteilung von Teilchen in Exzitonen zeigten – das ist es ein Ziel, das Wissenschaftler seit der Entdeckung des Exzitons vor fast einem Jahrhundert nicht mehr erreichen konnten.
Exzitonen sind der angeregte Zustand der Materie in Halbleitern – diese Art von Material ist der Schlüssel zu vielen modernen technologischen Geräten wie Solarzellen, LEDs, Lasern und Smartphones.
„Exzitonen sind sehr einzigartige und interessante Teilchen; sie sind elektrisch neutral, was bedeutet, dass sie sich in Materialien ganz anders verhalten als andere Teilchen wie Elektronen. Ihre Anwesenheit kann die Art und Weise, wie Materialien auf Licht reagieren, wirklich verändern“, sagte Common, sagte Dr. Michael Man, der erste Autor und Wissenschaftler in der Femtosekunden-Spektroskopie-Gruppe des OIST. „Diese Arbeit bringt uns dem vollständigen Verständnis der Natur von Exzitonen näher.“
Exzitonen werden gebildet, wenn ein Halbleiter Photonen absorbiert, wodurch negativ geladene Elektronen von einem niedrigen Energieniveau auf ein hohes Energieniveau springen. Dies hinterlässt positiv geladene Leerstellen auf niedrigeren Energieniveaus, sogenannte Löcher. Die entgegengesetzt geladenen Elektronen und Löcher ziehen sich an und beginnen sich gegenseitig zu umkreisen, wodurch Exzitonen entstehen.
Exzitonen sind in Halbleitern lebenswichtig, aber bisher können Wissenschaftler sie nur begrenzt nachweisen und messen. Ein Problem liegt in ihrer Zerbrechlichkeit – es braucht relativ wenig Energie, um Exzitonen in freie Elektronen und Löcher zu zerlegen. Darüber hinaus sind sie in der Natur flüchtig – in einigen Materialien werden Exzitonen innerhalb weniger Tausendstel der Zeit nach ihrer Bildung gelöscht, zu welcher Zeit die angeregten Elektronen in das Loch zurückfallen.
„Wissenschaftler entdeckten Exzitonen erstmals vor etwa 90 Jahren“, sagte Professor Keshav Dani, leitender Autor und Leiter der Femtosekunden-Spektroskopie-Gruppe des OIST. „Aber bis vor kurzem haben die Menschen normalerweise nur die optischen Eigenschaften von Exzitonen verstanden – zum Beispiel das Licht, das emittiert wird, wenn Exzitonen verschwinden. Andere Aspekte ihrer Eigenschaften, wie ihr Impuls und wie Elektronen und Löcher miteinander arbeiten, können nur sein abgeleitet von Beschreibe theoretisch."
Im Dezember 2020 veröffentlichten Wissenschaftler der OIST Femtosekunden-Spektroskopie-Gruppe jedoch einen Artikel in der Zeitschrift Science, in dem eine revolutionäre Technik zur Messung des Impulses von Elektronen in Exzitonen beschrieben wird. Jetzt, in der Ausgabe von „Science Advances“ vom 21. April, nutzte das Team diese Technologie, um zum ersten Mal Bilder aufzunehmen, die die Verteilung von Elektronen um Löcher in Exzitonen zeigen.
Die Forscher erzeugten zunächst Exzitonen, indem sie Laserpulse auf einen zweidimensionalen Halbleiter schickten – eine kürzlich entdeckte Materialart, die nur wenige Atome dick ist und stärkere Exzitonen enthält. Nachdem die Exzitonen gebildet wurden, verwendete das Forschungsteam einen Laserstrahl mit ultrahochenergetischen Photonen, um die Exzitonen zu zersetzen und die Elektronen direkt aus dem Material in den Vakuumraum im Elektronenmikroskop zu werfen. Das Elektronenmikroskop misst den Winkel und die Energie von Elektronen, wenn sie aus dem Material herausfliegen. Aus diesen Informationen können Wissenschaftler den Anfangsimpuls bestimmen, wenn sich die Elektronen mit den Löchern in den Exzitonen verbinden.
„Diese Technologie hat einige Ähnlichkeiten mit dem Collider-Experiment in der Hochenergiephysik. Im Collider werden die Teilchen durch starke Energie zusammengeschmettert und dabei aufgebrochen. Durch die Messung der kleineren inneren Teilchen, die in der Kollisionsbahn entstehen, können die Wissenschaftler anfangen zu stückeln zusammen die innere Struktur des ursprünglichen vollständigen Teilchens", sagte Professor Dani. „Hier machen wir etwas Ähnliches – wir verwenden extrem ultraviolette Lichtphotonen, um Exzitonen aufzubrechen, und messen die Flugbahnen von Elektronen, um zu beschreiben, was sich darin befindet.“
„Das ist keine einfache Leistung“, fuhr Professor Dani fort. „Die Messung muss sehr sorgfältig durchgeführt werden – bei niedriger Temperatur und niedriger Intensität, um eine Erwärmung der Exzitonen zu vermeiden. Es dauerte einige Tage, um ein Bild aufzunehmen. Am Ende maß das Team erfolgreich die Wellenfunktion der Exzitonen und es gab The Wahrscheinlichkeit, dass sich das Elektron in der Nähe des Lochs befindet.
„Diese Arbeit ist ein wichtiger Fortschritt auf diesem Gebiet“, sagte Dr. Julien Madeo, der Erstautor der Studie und Wissenschaftler in der Femtosekunden-Spektroskopie-Gruppe des OIST. „Die Fähigkeit, die inneren Umlaufbahnen von Partikeln visuell zu sehen, weil sie größere zusammengesetzte Partikel bilden, was es uns ermöglicht, zusammengesetzte Partikel auf beispiellose Weise zu verstehen, zu messen und letztendlich zu kontrollieren. Dies ermöglicht es uns, basierend auf diesen Konzepten neue zu erstellen. Das Quantum Stand der Dinge und der Technik."
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