Физики выяснили, как движется электрон внутри экситона
Эти квазичастицы, состоящие из электрона и дырки, определяют свойства полупроводников и других материалов. Они образуются и разрушаются очень быстро, но ученые теперь смогли исследовать их подробнее, запечатлев траекторию движения электронов внутри них
Экситоны образуются, когда полупроводники поглощают фотоны, что заставляет отрицательно заряженные электроны «перескакивать» на более высокие энергетические уровни. Из-за такого перескока образуются дырки — квазичастицы, которые представляют собой положительно заряженные области пространства на месте когда-то находившегося там электрона. Противоположно заряженные электроны и дырки притягиваются и начинают вращаться друг вокруг друга, создавая экситоны.
Экситоны определяют некоторые важные свойства полупроводников, но до сих пор у ученых был очень ограниченный набор методов для исследования этих квазичастиц. Одна из проблем заключается в их хрупкости — даже небольшое количество энергии, полученное извне, способно превратить экситон обратно в электрон и дырку. Более того, эти частицы нестабильны по своей природе — в некоторых материалах экситоны разрушаются примерно через несколько тысячных наносекунды после образования, когда электроны возвращаются в исходное энергетическое состояние.
Но в новом исследовании физики все же смогли поймать эти неуловимые частицы и подробно изучить их. Для этого авторы облучали короткими лазерными импульсами двумерный полупроводник. Этот не так давно открытый класс материалов, согласно предыдущим работам, способен генерировать более стабильные экситоны. После генерации квазичастиц ученые использовали лазерный луч с фотонами сверхвысокой энергии, чтобы разрушить их и направить электроны из толщи материала прямо в камеру электронного микроскопа.
Электронный микроскоп измерял энергию и угол, под которым двигались электроны, вылетающие из материала. Из этой информации ученые смогли определить начальный импульс частицы, когда она была связана с дыркой внутри экситона. В конечном счете авторам удалось измерить волновую функцию экситона, которая показывает вероятность нахождения электрона в определенной части пространства внутри квазичастицы.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.