Los científicos toman la primera imagen de un orbital de electrones dentro de un excitón
Reflejos
- Los excitones son partículas excitadas que se forman cuando los electrones cargados negativamente se unen a huecos cargados positivamente.
- Los investigadores ahora han utilizado la última tecnología para capturar la primera imagen de un electrón dentro de un excitón.
- Esta técnica utiliza intensos rayos ultravioleta para romper excitones e impulsar electrones al vacío de un microscopio electrónico.
- Al medir el ángulo en el que se expulsan los electrones del material, el equipo de investigación determinó cómo los electrones y los agujeros giraban entre sí en el excitón.
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En un evento global, investigadores del Instituto de Graduados de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) capturaron una imagen que muestra las órbitas internas, o distribución espacial, de las partículas en el excitón, un objetivo que ha eludido a los científicos durante casi un siglo.
Los excitones son estados emocionantes de la materia que se encuentran dentro de los semiconductores, una clase de materiales que son clave para muchos dispositivos tecnológicos modernos, como células solares, luces LED, láseres y teléfonos inteligentes.
«Los excitones son partículas realmente interesantes y únicas. Son eléctricamente neutrales, lo que significa que se comportan de manera muy diferente dentro de la materia que otras partículas como los electrones», dijo el Dr. Michael Mann, co-primer autor y científico del equipo de OIST. Unidad de femtoespectroscopia. «Este trabajo nos lleva a una comprensión completa de la naturaleza de los excitones».
Los excitones se forman cuando los fotones son absorbidos por semiconductores, lo que hace que los electrones cargados negativamente se muevan de un nivel de energía más bajo a un nivel de energía más alto. Esto deja espacios vacíos cargados positivamente, llamados agujeros, en el nivel de energía más bajo. Los electrones y los huecos de carga opuesta se atraen y comienzan a orbitarse entre sí, lo que genera excitones.
Las salidas no son técnicamente partículas, sino cuasipartículas (semipartícula, que significa «aproximadamente» en latín). Están formados por la atracción electrostática entre electrones excitados cargados negativamente y huecos cargados positivamente. Los agujeros son espacios dejados por electrones excitados que son en sí mismos un tipo de cuasipartícula.
Los excitones son de importancia crítica dentro de los semiconductores, pero hasta ahora, los científicos solo han podido descubrirlos y medirlos de manera limitada. Un problema es su fragilidad: requiere relativamente poca energía para romper los excitones en electrones y huecos libres. Además, son de naturaleza transitoria. En algunas sustancias, los excitones se extinguen en unos pocos milisegundos de una mil millonésima de segundo después de su formación, cuando los electrones excitados «caen» de nuevo en los agujeros.
«Los científicos descubrieron los excitones por primera vez hace unos 90 años», dijo el profesor Keshav Dani, autor principal y director de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos de la OIST. « Pero hasta hace muy poco, generalmente solo se tenía acceso a las firmas ópticas de los excitones, por ejemplo, la luz emitida por un excitón cuando se suprimía. Otros aspectos de su naturaleza, como el momento, y cómo un electrón y un agujero orbitan entre sí, sólo se pueden describir. Teóricamente «.
Sin embargo, en diciembre de 2020, los científicos de la unidad de espectroscopía de femtosegundos de OIST Publicado un artículo a Ciencias Descripción de una técnica revolucionaria para medir la cantidad de movimiento de los electrones dentro de los excitones.
Ahora, los informes se presentan el 21 de abril en Avances de la cienciaLuego, el equipo utilizó esta técnica para tomar la primera imagen que muestra la distribución de un electrón alrededor del agujero dentro de un excitón.
Los investigadores primero generaron excitones enviando un pulso láser de luz en semiconductores 2D, una clase de materiales recientemente descubierta con solo unos pocos átomos de espesor y que contienen exitones más poderosos.
Después de formar los excitones, el equipo usó un rayo láser con fotones de alta energía para romper los excitones y expulsar electrones del material directamente al espacio dentro de un microscopio electrónico.
Un microscopio electrónico midió el ángulo y la energía de los electrones a medida que emergían del material. A partir de esta información, los científicos pudieron determinar el impulso inicial de un electrón cuando estaba unido a una abertura dentro del excitón.
El instrumento utiliza un pulso de luz inicial para excitar electrones y generar excitones. Esto es seguido rápidamente por un segundo pulso de luz que usa fotones ultravioleta para expulsar los electrones dentro de los excitones del material y al vacío del microscopio electrónico. Luego, el microscopio electrónico mide la energía y el ángulo dejado por los electrones del material para determinar el momento del electrón alrededor del agujero dentro del excitón.
«Esta tecnología tiene algunas similitudes con los experimentos de colisionadores de la física de altas energías, en los que las partículas son aplastadas por densas cantidades de energía, lo que hace que se agrieten. Al medir las trayectorias de las partículas internas más pequeñas producidas por la colisión, los científicos pueden comenzar para ensamblar la estructura interna de las partículas originales intactas, dijo el profesor Danny. «Aquí, estamos haciendo algo similar: estamos usando fotones ultravioleta para separar los excitones y medir las trayectorias de los electrones para visualizar lo que hay dentro».
“No fue una hazaña”, continuó el profesor Danny. «Las mediciones tuvieron que hacerse con mucho cuidado, a baja temperatura y a baja densidad para evitar calentar los excitones. Se necesitaron unos días para obtener una imagen».
Finalmente, el equipo midió con éxito la función de onda del excitón, dando la probabilidad de que el electrón pudiera estar alrededor del agujero.
Se aplica en física a conceptos cuánticos muy extraños y sutiles. Los electrones actúan como partículas y como ondas, por lo que es imposible conocer la posición y el momento de un electrón al mismo tiempo. En cambio, una nube de probabilidad de excitones muestra dónde es más probable que se ubique el electrón alrededor del agujero. El equipo de investigación creó una imagen de la nube de probabilidad de excitones midiendo la función de onda.
“Este trabajo es un avance importante en esta área”, dijo el Dr. Julian Maedo, co-primer autor y científico del equipo OIST. «La capacidad de visualizar los orbitales internos de las partículas a medida que forman partículas compuestas más grandes puede permitirnos comprender, medir y, en última instancia, controlar las partículas compuestas de formas sin precedentes. Esto puede permitirnos crear nuevos estados cuánticos de materia y tecnología basados en estos conceptos. . «
De izquierda a derecha: Dr. Julian Madieu (primer coautor); Profesor Keshav Dani (autor principal) y Dr. Michael Mann (primer coautor).
Información del artículo
The Journal: The Advancement of Science
Ensayo: medición experimental de la función de onda excitónica intrínseca
Autores: Michael K.L. Mann, Julian Madiu, Chakradar Sahu, Kaishin Zee, Marshall Campbell, Vivek Barrick, Arka Karmakar, E. Lynn Wong, Abdullah Al Mahboub, Nicholas S Chan, David R. Tocino, Zheng Gu, Muhammad M. Xiaoqin Li, Tony F. Heinz, Felipe H. da Jornada, Ting Cao, Keshav M. Dani
Fecha: 21 de abril de 2021
DOI: dx.doi.org/10.1126/sciadv.abg0192
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