Pirmasis vaizdas, užfiksuotas elektrono orbitoje eksitonoje

Iki

Keistos kvantinės sąvokos taikomos labai mažoje fizikoje. Elektronai veikia kaip dalelės ir bangos, todėl tuo pačiu metu neįmanoma žinoti elektrono padėties ir impulso. Vietoj to, eksitonio tikimybės debesis rodo, kur aplink skylę galima rasti elektroną. Tyrėjų grupė, matuodama bangų funkciją, sukūrė eksitoninį tikimybės debesies vaizdą. Kreditas: OIST

Revoliucinė technika mokslininkams suteikia unikalią įžvalgą apie bėgančių dalelių, vadinamų eksitonais, vidų.

Visame pasaulyje Okinavos universiteto Mokslo ir technologijos instituto (OIST) tyrėjai užfiksavo vaizdą, kuriame matyti dalelių orbitos ar erdvinis pasiskirstymas eksitonoje – tai tikslas, kurio mokslininkai išvengė beveik šimtmetį.

„Excitons“ jaudina puslaidininkiuose esančios medžiagos būklė – medžiagos, kurios yra svarbios daugeliui šiuolaikinių technologinių įrenginių, tokių kaip saulės elementai, šviesos diodai, lazeriai ir išmanieji telefonai.

„Eksitonai yra tikrai unikalios ir įdomios dalelės; jie yra elektroniškai neutralūs ir tai reiškia, kad jie elgiasi kitaip nei medžiagos su kitomis dalelėmis, tokiomis kaip elektronai. Jų buvimas iš tikrųjų gali pakeisti medžiagos reakciją į šviesą “, – sakė dr. Michaelas Manas, pirmasis OIST femtosekundinės spektroskopijos skyriaus autorius ir mokslinis personalas.

Exciton diagrama

Skitonai techniškai yra ne dalelės, o kvazidalelės (beveik lotyniškai reiškiančios „beveik“). Juos sukuria elektrostatinė trauka tarp sužadintų, neigiamai įkrautų elektronų ir teigiamai įkrautų skylių. Skylės yra erdvės, kurias palieka sužadinti elektronai, ir jie patys yra kvazidalelių tipai. Kreditas: OIST

Eksitonai susidaro puslaidininkiams sugeriant šviesos fotonus, dėl kurių neigiamai įkrauti elektronai peršoka iš žemesnio energijos lygio į aukštesnį energijos lygį. Tai palieka teigiamai įkrautą tuščią erdvę, vadinamą skylute, esant žemesniam energijos lygiui. Jie pritraukia priešingai įkrautus elektronus ir skyles ir pradeda skrieti aplink vienas kitą, o tai sukuria eksitonus.

Puslaidininkiuose eksitonas yra labai svarbus, tačiau iki šiol mokslininkams pavyko juos aptikti ir išmatuoti ribotai. Viena problema yra trapumas: norint palyginti eksitoną į laisvuosius elektronus ir skylutes, reikia palyginti nedaug energijos. Jie taip pat turi sunkiai suvokiamą prigimtį – kai kuriose medžiagose eksitonai išnyksta maždaug milijardui sekundžių po jų sukūrimo, kai sužadinti elektronai „nukrenta“ į skyles.

„Mokslininkai pirmą kartą atrado eksitonus maždaug prieš 90 metų“, – sakė profesorius Keshavas Dani, pagrindinis autorius ir OIST „Femistosecond“ spektroskopijos skyriaus vadovas. „Tačiau dar visai neseniai prieiti prie optinių eksitonų parašų buvo įmanoma tik tada, kai, pavyzdžiui, jis buvo išjungtas, kai eksitonas skleidžia šviesą. Kitus jų prigimties aspektus, pavyzdžiui, jų impulsą ir tai, kaip elektronas ir skylė skrieja aplink vienas kitą, buvo galima apibūdinti tik teoriškai “.

Instrumentavimas naudojant „Image Excitons“

Prietaisas naudoja pradinį šviesos siurblio impulsą sužadinti elektronus ir generuoti eksitonus. Po to atėjo antrasis šviesos impulsas, kuris ultravioletiniais šviesos fotonais išskyrė elektronus iš eksitonų iš medžiagos ir šaudė juos į elektroninio mikroskopo vakuumą. Elektroninis mikroskopas matuoja energiją ir kampą, kurį palieka elektronai medžiagoje, kad nustatytų momentą aplink skylę elektrono sužadinimo viduje. Kreditas: OIST

Tačiau 2020 m. Gruodžio mėn. OIST Femtosekundinės spektroskopijos skyriaus mokslininkai paskelbė straipsnį Mokslas apibūdinantis revoliucinę metodą, skirtą matuoti elektronų impulsą eksitonuose.

Dabar balandžio 21 d. Ataskaitos Mokslo pažanga, komanda naudojo šią techniką, kad užfiksuotų pirmąjį vaizdą, rodantį elektrono pasiskirstymą aplink skylę eksitonoje.

Mokslininkai pirmą kartą sukūrė eksitonus siunčiant lazerio šviesos impulsą į dvimatį puslaidininkį – neseniai atrado medžiagas, turinčias kelis storus atomus ir stipresnius eksitonus.

Sukūrusi eksitonus, komanda panaudojo lazerio spindulį su labai didelės energijos fotonais, kad suskaidytų eksitonus ir iššautų elektronus iš medžiagos į tuščią elektronų mikroskopo erdvę.

Elektroniniu mikroskopu buvo matuojamas elektronų kampas ir energija, jiems skriejant per medžiagą. Iš šios informacijos mokslininkams pavyko nustatyti pradinį elektrono impulsą, kai jis buvo pritvirtintas prie eksitoninės skylės.

“Metodas yra šiek tiek panašus į didelės energijos fizikos susidūrimo eksperimentus, kai dalelės lūžta nuo gyvų energijos kiekių, prasiskverbia. Matuodami susidūrimų sukurtų mažų vidinių dalelių trajektorijas, mokslininkai gali pradėti formuoti vidinę originalių dalelių struktūrą, – sakė profesorius Dani. “Čia mes darome kažką panašaus – mes naudojame ekstremalių ultravioletinių spindulių fotonus, kad išskirtume eksitonus, ir matuojame elektronų trajektorijas, kad atspindėtume tai, kas yra viduje”.

„Taip nebuvo, – tęsė profesorius Dani. “Matavimai turėjo būti atliekami labai atsargiai, esant žemai temperatūrai ir mažam intensyvumui, kad būtų išvengta eksitonų perkaitimo. Vienam vaizdui gauti prireikė kelių dienų.”

Galų gale grupė sugebėjo išmatuoti eksitonio bangų funkciją, kuri suteikia tikimybę, kad elektronas bus išdėstytas aplink skylę.

“Šis darbas yra svarbus proveržis šioje srityje”, – sakė dr. Julienas Madeo, pirmasis autorius ir personalo mokslininkas OIST femtosekundinės spektroskopijos skyriuje. „Galimybė pamatyti vidines dalelių orbitas formuojant didesnes sudėtines daleles leis mums suprasti, matuoti ir galiausiai valdyti sudėtines daleles precedento neturinčiais būdais. Tai gali padėti sukurti naujas materijos ir technologijos kvantines būsenas, pagrįstas šiomis sąvokomis. “

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Didžiausia aplinkos šalinimo kaukė – ir kaip ją sumažinti

Naujas tyrimas nustatė naudojamo N95 išeikvojimą ir pasiūlė tinkamus būdus jį sumažinti. Nuo praėjusiais metais prasidėjusios „Covid-19“ epidemijos, užrištos akys tapo dar viena sveikatos apsaugos...

Neuromediatorių lygis smegenyse nuspėja matematinius sugebėjimus

Skenavimas buvo baigtas 1 ir 2 metu (maždaug po 1,5 metų) kiekvienoje iš penkių amžiaus grupių (6-erių, 10-mečių, 14-mečių, 16-mečių ir 18 metų) -metukai)....

Genetikai atskleidžia mutacijas, sukeliančias sunkų vaikystės vėžį – vartokite vaistus, kad pašalintumėte jų šalutinį poveikį

Trejybės koledžo genetikai atrado specifinio geno, vadinamo H3K27M, mutaciją, sukeliančią neišgydomą vaikystės vėžį, vadinamą diffi midi glioma (DMG). Augimas taikant tikslinius vaistus. Jų istoriniai...

Neigiamų jonų sulaikymas tarpžvaigždinėje erdvėje

Kaip tarpžvaigždinėje aplinkoje kuriamos neigiamai įkrautos molekulės? Tarpžvaigždiniai debesys yra naujų žvaigždžių gimtinė. Tačiau jie taip pat vaidina pagrindinį vaidmenį formuojant gyvenimą visatoje per...

Naujas algoritmas skrenda greičiau nei bepiločiai orlaiviai nei pasaulinės klasės žmonių rasės pilotai

Dronas, skrendantis per Dūmus, kad įsivaizduotų kompleksinius aerodinaminius efektus. Paskola Robotikos խումբ suvokimo grupė, Juricho universitetas Norėdami būti naudingi, bepiločiai orlaiviai turi būti...

Newsletter

Subscribe to stay updated.