Японські фізики вперше спостерігали темні екситони

Японські вчені розробили метод візуалізації раніше недоступних для спостереження частинок - темних екситонів. На думку авторів, це може зробити революцію в дослідженнях двовимірних напівпровідників, необхідних для майбутніх високотехнологічних пристроїв - від сонячних батарей і світлодіодів до смартфонів і лазерів.Про це пише ria.ru.

Екситони - це квазічастинки, що представляють собою порушену стану речовини в напівпровідниках - ключових інгредієнтах багатьох сучасних технологій. Вони утворюються, коли електрони збуджуються світлом до більш високого енергетичного стану, залишаючи після себе дірку на тому енергетичному рівні, де раніше знаходився електрон.

Читайте також: Інструкція: як побудувати літаючу тарілку

"Дірки - це відсутність електрона, і тому вони несуть заряд, протилежний електрону. Протилежні заряди притягуються, і електрони і дірки, зв'язуючись разом, утворюючи екситони, які потім можуть переміщатися по матеріалу", - наводяться в прес-релізі Окінавського інституту науки і технологій слова першого автора дослідження професора Кешав Дані (Keshav Dani), який очолює відділ фемтосекундною спектроскопії.

В об'ємних напівпровідниках екситон гаснуть менш ніж за кілька мільярдних часток секунди після освіти. Більш того, вони можуть бути "крихкими", що ускладнює їх вивчення і управління. Але близько десяти років тому вчені відкрили двовимірні напівпровідники, в яких екситон більш стійкі.

"Стабільні екситон надають цим матеріалам дійсно унікальні властивості, тому у всьому світі було проведено безліч досліджень, спрямованих на створення нових оптоелектронних пристроїв на основі екситонів, - говорить ще один автор дослідження, співробітник відділу фемтосекундною спектроскопії доктор Жюльєн Маде (Julien Madéo). - Але на даний момент існує серйозне обмеження стандартної експериментальної техніки, яка використовується для вимірювання екситонів ".

Вченим давно відомо, що тільки один тип екситонів, званий яскравими екситонами, може взаємодіяти зі світлом. Але існують і інші, так звані темні екситон, які до сих пір не вдавалося побачити.

У темних екситонами електрони мають імпульс, відмінний від імпульсу електронів в яскравих екситонів і від моменту руху дірок, з якими вони пов'язані, що не дозволяє їм поглинати світло.

"Ми знали, що вони існують, але ми не могли безпосередньо їх бачити, досліджувати їх, і тому ми не знали, наскільки вони впливають на оптоелектронні властивості матеріалу", - пояснює доктор Маде.

Щоб візуалізувати темні екситон, вчені модифікували потужну техніку, яка раніше в основному використовувалася для вивчення одиночних незв'язаних електронів.

"Було незрозуміло, як цей метод буде працювати з екситонами, які представляють собою складові частинки. В науковому співтоваристві була велика теоретична дискусія, що обговорює обгрунтованість цього підходу", - розповідає професор Дані.

Автори припустили, що якщо пучок світла, що містить фотони з достатньо високою енергією, використовувати для удару по екситонів в напівпровідниковому матеріалі, енергія фотонів зруйнує екситон і виб'є електрони з матеріалу. Вимірюючи напрямок, в якому електрони вилітають з матеріалу, можна буде визначити початковий імпульс електронів, коли вони були частиною екситонів. Таким чином, вчені зможуть не тільки бачити, а й відрізняти яскраві екситон від темних.

Впровадження нового методу вимагало вирішення величезних технічних проблем. Вченим потрібно було створити світлові імпульси з високоенергетичними ультрафіолетовими фотонами, здатними розщеплювати екситон і виштовхувати електрони з матеріалу.

При цьому сам прилад повинен був мати можливість вимірювати енергію і кут руху цих електронів. Крім того, оскільки екситон вкрай недовговічні, прилад повинен був працювати в масштабі часу менше тисячі мільярдних часток секунди. Нарешті, приладу також було потрібно досить високу просторову роздільну здатність для вимірювання двовимірних напівпровідникових зразків, які зазвичай доступні тільки в микронном масштабі.

"Коли ми вирішили всі технічні проблеми, включили прилад, і на нашому екрані були екситон - це було дійсно вражаюче", - відзначає доктор Мішель Ман (Michael Man), яка також брала участь в дослідженні.

На свій подив, вчені виявили, що темні екситон переважають в матеріалі, перевершуючи за чисельністю яскраві екситон, а також те, що за певних умов, коли збуджені електрони розсіюються по матеріалу і змінюють імпульс, екситон можуть перемикатися між яскравими і темними.