科學家首次捕捉到電子在激子內的軌道影象

激子在技術上不是粒子，而是準粒子（在拉丁語中是“幾乎”的意思）。它們是由激發態帶負電荷的電子和帶正電荷的空穴之間的靜電吸引形成的。空穴是激發態電子留下的空間，它們本身就是一種準粒子。來源：OIST

來自沖繩科技研究生院（OIST）的研究人員捕捉到一幅顯示激子內部軌道或空間分佈的影象，這在世界上尚屬首次——科學家們已經逃避了近一個世紀的目標。他們的發現發表在《科學進展》雜誌上。

激子是在半導體中發現的物質的激發態，半導體是許多現代技術裝置的關鍵材料，如太陽能電池、led、鐳射器和智慧手機。

“激子是非常獨特和有趣的粒子；它們是電中性的，這意味著它們在材料中的行為與電子等其他粒子非常不同。它們的存在真的可以改變材料對光的反應方式，”OIST飛秒光譜學單元的共同第一作者和工作科學家邁克爾·曼博士說。“這項工作讓我們更接近於全面理解激子的本質。”

激子是當半導體吸收光的光子時形成的，這導致帶負電荷的電子從較低的能級跳到較高的能級。這就在較低能級上留下了帶正電的空隙，稱為“洞”。帶相反電荷的電子和空穴相互吸引，它們開始繞著對方執行，這就產生了激子。

激子在半導體中至關重要，但到目前為止，科學家們只能用有限的方法來探測和測量激子。一個問題在於它們的脆弱性——將激子分解成自由電子和空穴所需的能量相對較少。此外，它們在本質上是短暫的——在一些材料中，當被激發的電子“落”回洞中時，激子在形成後的千分之幾億分之一秒內就會消失。

該儀器使用初始光泵脈衝來激發電子併產生激子。緊接著是第二波光脈衝，它使用極端紫外線光子將激子中的電子踢出材料，進入電子顯微鏡的真空中。然後，電子顯微鏡測量電子離開材料時的能量和角度，以確定電子在激子內空穴周圍的動量。來源：OIST

“科學家們在大約90年前首次發現了激子，”OIST的資深作者兼飛秒光譜學部門負責人Keshav Dani教授說。但直到最近，人們通常只能看到激子的光學特徵——例如，當激子熄滅時發出的光。它們性質的其他方面，比如它們的動量，以及電子和空穴如何相互繞轉，只能從理論上描述。”

然而，在2020年12月，OIST飛秒光譜學小組的科學家在《科學》雜誌上發表了一篇論文，描述了一種測量激子內電子動量的革命性技術。

現在，根據《科學進展》雜誌的報道，該團隊利用這項技術捕獲了有史以來第一張顯示了一個電子圍繞著一個激子內部的空穴分佈的影象。

研究人員首先透過向一個二維半導體傳送鐳射脈衝來產生激子——這是一種最近發現的材料，只有幾個原子厚，卻擁有更強的激子。

在激子形成後，該團隊使用了一束具有超高能量光子的鐳射束來分裂激子，並將電子從材料中踢出，進入電子顯微鏡下的真空空間。

在非常微小，奇怪的量子概念的物理中應用。電子既是粒子又是波，因此不可能同時知道電子的位置和動量。相反，一個激子的機率雲顯示電子最有可能在洞周圍被發現。研究小組透過測量激子的波函式生成了激子機率雲的影象。來源：OIST

電子顯微鏡測量了電子飛出物質時的角度和能量。根據這些資訊，科學家們能夠確定電子被束縛在激子內空穴時的初始動量。

這項技術與高能物理對撞機實驗有一些相似之處，在對撞機實驗中，粒子以高強度的能量碰撞在一起，將其打碎。透過測量碰撞中產生的較小內部粒子的軌跡，科學家們可以開始拼湊原始完整粒子的內部結構，”達尼教授說。“在這裡，我們正在做類似的事情——我們正在使用極端紫外線光子來分解激子，並測量電子的軌跡來描繪內部的情況。”

“這可不是什麼卑鄙的壯舉，”達尼教授繼續說道。“必須非常小心地進行測量——在低溫和低強度下進行，以避免激子被加熱。我們花了幾天時間才獲得一張影象。”

最終，研究小組成功地測量了激子的波函式，從而給出了電子可能位於洞周圍位置的機率。

“這項工作是該領域的一個重要進展，”OIST飛秒光譜單元的共同第一作者和工作人員朱利安·馬多博士說。“當粒子形成更大的複合粒子時，能夠視覺化粒子的內部軌道，可以讓我們以前所未有的方式瞭解、測量和最終控制複合粒子。這可以讓我們在這些概念的基礎上創造新的物質量子態和技術。”

更多資訊:

“Experimental measurement of the intrinsic excitonic wave function”

Science Advances

（2021）。

advances。sciencemag。org/lookup … 。1126/sciadv。abg0192

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