قام الباحثون في معهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا (OIST) بقياس توزيع الزخم للإلكترونات الضوئية المنبعثة من الإكسيتونات في طبقة واحدة من ديسلينيد التنجستن ، والتقطوا صورًا توضح المدارات الداخلية أو التوزيع المكاني للجسيمات في الإكسيتونات - هذا هو هذا هو هدف لم يتمكن العلماء من تحقيقه منذ اكتشاف الإكسيتون منذ ما يقرب من قرن من الزمان.
الإكسايتونات هي الحالة المثيرة للمادة الموجودة في أشباه الموصلات - هذا النوع من المواد هو المفتاح للعديد من الأجهزة التكنولوجية الحديثة ، مثل الخلايا الشمسية ، ومصابيح LED ، والليزر ، والهواتف الذكية.
"الإكسايتونات هي جسيمات فريدة جدًا ومثيرة للاهتمام ؛ فهي محايدة كهربائيًا ، مما يعني أنها تتصرف في المواد بشكل مختلف تمامًا عن الجسيمات الأخرى مثل الإلكترونات. يمكن أن يؤدي وجودها حقًا إلى تغيير الطريقة التي تتفاعل بها المواد مع الضوء" ، كما قال الدكتور مايكل مان ، أول مؤلف وعالم في مجموعة مطيافية الفيمتو ثانية في OIST. "هذا العمل يقربنا من فهم طبيعة الإكسايتونات بشكل كامل."
تتشكل الإكسيتونات عندما يمتص أحد أشباه الموصلات الفوتونات ، مما يتسبب في انتقال الإلكترونات سالبة الشحنة من مستوى طاقة منخفض إلى مستوى طاقة مرتفع. هذا يترك شواغر موجبة الشحنة عند مستويات طاقة منخفضة تسمى الثقوب. تجذب الإلكترونات والثقوب ذات الشحنة المعاكسة بعضها البعض ، وتبدأ في الدوران حول بعضها البعض ، مما ينتج عنه الإكسيتونات.
تعتبر الإكسيتونات حيوية في أشباه الموصلات ، ولكن حتى الآن ، لا يمكن للعلماء اكتشافها وقياسها إلا بطريقة محدودة. تكمن إحدى المشكلات في هشاشتها - فهي تتطلب طاقة قليلة نسبيًا لتفكيك الإكسايتونات إلى إلكترونات وثقوب حرة. بالإضافة إلى ذلك ، فهي عابرة في الطبيعة - في بعض المواد ، سيتم إخماد الإكسايتونات في غضون بضعة آلاف من الوقت بعد تشكلها ، وفي ذلك الوقت سوف "تسقط" الإلكترونات المثارة مرة أخرى في الحفرة.
قال البروفيسور كيشاف داني ، كبير المؤلفين ورئيس مجموعة التحليل الطيفي للفيمتو ثانية في OIST: "اكتشف العلماء الإكسيتونات لأول مرة منذ حوالي 90 عامًا". "ولكن حتى وقت قريب ، كان الأشخاص عادةً ما يحصلون على الخصائص البصرية للإكسيتونات فقط - على سبيل المثال ، الضوء المنبعث عند اختفاء الإكسيتونات. يمكن أن تكون الجوانب الأخرى لخصائصهم ، مثل الزخم ، وكيفية عمل الإلكترونات والثقوب مع بعضها البعض ، مشتق من وصف نظريًا ".
ومع ذلك ، في ديسمبر 2020 ، نشر علماء من OIST Femtosecond Spectroscopy Group ورقة في مجلة Science تصف تقنية ثورية لقياس زخم الإلكترونات في الإكسيتونات. الآن ، في عدد 21 أبريل من "Science Advances" ، استخدم الفريق هذه التقنية لالتقاط صور لأول مرة توضح توزيع الإلكترونات حول الثقوب في الإكسيتونات.
قام الباحثون في البداية بتوليد الإكسيتونات عن طريق إرسال نبضات الليزر إلى شبه موصل ثنائي الأبعاد - وهو نوع من المواد المكتشفة مؤخرًا بسماكة بضع ذرات فقط وتحتوي على إكسيتونات أكثر قوة. بعد تكوين الإكسيتونات ، استخدم فريق البحث شعاع ليزر به فوتونات عالية الطاقة لتحليل الإكسيتونات وطرد الإلكترونات مباشرة من المادة إلى الفراغ في المجهر الإلكتروني. يقيس المجهر الإلكتروني زاوية وطاقة الإلكترونات أثناء خروجها من المادة. من هذه المعلومات ، يمكن للعلماء تحديد الزخم الأولي عندما تتحد الإلكترونات مع الثقوب الموجودة في الإكسيتونات.
"هذه التكنولوجيا لها بعض أوجه التشابه مع تجربة المصادم في فيزياء الطاقة العالية. في المصادم ، يتم تحطيم الجسيمات معًا بواسطة طاقة قوية ، مما يؤدي إلى تفتيتها. من خلال قياس الجسيمات الداخلية الأصغر التي يتم إنتاجها في مسار التصادم ، يمكن للعلماء البدء في القطع قال البروفيسور داني إن البنية الداخلية للجسيم الكامل الأصلي ". "هنا ، نقوم بشيء مماثل - نحن نستخدم فوتونات الأشعة فوق البنفسجية الشديدة لتفكيك الإكسيتونات ، وقياس مسارات الإلكترونات لوصف ما بداخلها."
وتابع البروفيسور داني: "هذا ليس عملاً سهلاً". "يجب أن يتم القياس بحذر شديد - عند درجة حرارة منخفضة وشدة منخفضة لتجنب تسخين الإكسيتونات. استغرق الأمر بضعة أيام للحصول على صورة. في النهاية ، قام الفريق بنجاح بقياس الوظيفة الموجية للإكسيتونات ، وأعطى احتمال وجود الإلكترون حول الثقب.
قال الدكتور جوليان مايدو ، المؤلف الأول للدراسة وعالم في مجموعة Femtosecond Spectroscopy Group التابعة لـ OIST: "هذا العمل هو تقدم مهم في هذا المجال". "القدرة على رؤية المدارات الداخلية للجسيمات بصريًا ، لأنها تشكل جسيمات مركبة أكبر ، مما يسمح لنا بفهم وقياس والتحكم في نهاية المطاف في الجسيمات المركبة بطريقة غير مسبوقة. وهذا يسمح لنا بإنشاء مدارات جديدة بناءً على هذه المفاهيم. حالة المادة والتكنولوجيا ".
Copyright @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co.، Ltd. - الصين وحدات الألياف البصرية ، مصنعي الليزر المقترن بالألياف ، موردو مكونات الليزر ، جميع الحقوق محفوظة.
