研究人员首次捕捉到激子内电子的“轨道”图像

据外媒报道，一项革命性的技术使科学家们能够以无与伦比的方式近距离观察被称为激子的瞬时粒子的内部。冲绳科学技术大学院大学（OIST）的研究人员在一项世界首创中捕捉到了显示激子中粒子的内部轨道或空间分布的图像--这是科学家们近一个世纪以来一直未能实现的目标。

激子是在半导体中发现的物质激发状态--这类材料是许多现代技术设备的关键，如太阳能电池、LED、激光器和智能手机。

“激子是非常独特和有趣的粒子；它们是电中性的，这意味着它们在材料中的行为与电子等其他粒子非常不同。它们的存在可以真正改变材料对光的反应方式，”共同第一作者、OIST飞秒光谱组的科学家Michael Man博士说。“这项工作使我们更接近于完全理解激子的性质。”

激子是在半导体吸收光子时形成的，这导致带负电的电子从低能级跳到高能级。这在较低的能级上留下了带正电的空位，称为空穴。带相反电荷的电子和空穴相互吸引，它们开始相互绕行，这就产生了激子。

激子在半导体中至关重要，但到目前为止，科学家们只能以有限的方式检测和测量它们。一个问题在于它们的脆弱性--将激子分解成自由电子和空穴需要相对较少的能量。此外，它们在本质上是转瞬即逝的--在一些材料中，激子在形成后大约千分之几的时间内就会熄灭，此时受激电子会 "落 "回空穴中。

"科学家们大约在90年前首次发现了激子，"高级作者、OIST的飞秒光谱组负责人Keshav Dani教授说。"但是直到最近，人们通常只能获得激子的光学特征--例如，激子消失时发出的光。它们性质的其他方面，如它们的动量，以及电子和空穴如何相互运行，只能从理论上进行描述。"

然而，在2020年12月，OIST飞秒光谱组的科学家在《科学》杂志上发表了一篇论文，描述了一种测量激子内电子动量的革命性技术。现在，在4月21日的《科学进展》杂志上，该团队使用该技术首次捕捉到了显示激子内空穴周围电子分布的图像。

研究人员首先通过向二维半导体发送激光脉冲产生了激子--这是最近发现的一类材料，其厚度只有几个原子，并蕴藏着更强大的激子。在激子形成后，研究小组用一束带有超高能量光子的激光来分解激子并将电子直接踢出材料，进入电子显微镜内的真空空间。电子显微镜测量了电子飞出材料时的角度和能量。从这些信息中，科学家们能够确定电子与激子内的孔结合时的初始动量。

"这项技术与高能物理学的对撞机实验有一些相似之处，在对撞机中，粒子被强烈的能量砸在一起，使它们破碎开。通过测量碰撞中产生的较小的内部粒子的轨迹，科学家们可以开始拼凑出原来完整粒子的内部结构，"Dani教授说。"在这里，我们正在做类似的事情--我们正在使用极紫外光的光子来打破激子，并测量电子的轨迹来描绘里面的东西。"

"这不是一个简单的壮举，"Dani教授继续说道。"测量必须非常小心--在低温和低强度下进行，以避免激子被加热。它花了几天时间来获取一个图像。最终，该团队成功地测量了激子的波函数，它给出了电子可能位于空穴周围的位置的概率。

"这项工作是该领域的一个重要进展，"研究第一作者、OIST飞秒光谱组的科学家Julien Madeo博士说。"能够直观地看到粒子的内部轨道，因为它们形成了更大的复合粒子，可以让我们以前所未有的方式了解、测量并最终控制复合粒子。这可以让我们在这些概念的基础上创造新的物质量子态和技术。"