Gambar pertama diambil dari orbit elektron di dalam eksiton

Per

Dalam fisika konsep kuantum yang sangat kecil dan aneh diterapkan. Elektron bertindak sebagai partikel dan gelombang dan oleh karena itu tidak mungkin untuk mengetahui posisi dan momentum satu elektron pada satu waktu. Sebaliknya, awan probabilitas eksiton menunjukkan di mana kemungkinan besar elektron berada di sekitar lubang. Tim peneliti menghasilkan gambar awan probabilitas eksiton dengan mengukur fungsi gelombang. Kredit: OIST

Sebuah teknik revolusioner menawarkan ilmuwan pandangan latar depan yang tak tertandingi dalam partikel buronan yang disebut eksiton.

Pertama di dunia, para peneliti di Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) telah menangkap gambar yang menunjukkan orbit internal, atau distribusi spasial, partikel-partikel dalam sebuah exciter, sebuah tujuan yang telah dihindari para ilmuwan selama hampir satu abad.

Eksitasi adalah keadaan materi yang tereksitasi yang ditemukan dalam semikonduktor, kelas bahan yang merupakan kunci bagi banyak perangkat teknologi modern, seperti sel surya, LED, laser, dan ponsel cerdas.

“Excitons adalah partikel yang sangat unik dan menarik; mereka netral secara elektrik, artinya mereka berperilaku sangat berbeda dalam bahan partikel lain seperti elektron. Kehadiran mereka benar-benar dapat mengubah cara material menanggapi cahaya, “kata Dr. Michael Man, rekan penulis dan staf ilmuwan di Unit Spektroskopi Femtosecond OIST.” Pekerjaan ini membawa kita lebih dekat untuk memahami sepenuhnya sifat eksitasi. “.

Diagram eksiton

Eksitasi secara teknis bukanlah partikel, tetapi kuasipartikel (quasi-artinya “hampir” dalam bahasa Latin). Mereka dibentuk oleh tarikan elektrostatis antara elektron tereksitasi, elektron bermuatan negatif, dan lubang bermuatan positif. Lubang adalah ruang yang ditinggalkan oleh elektron yang tereksitasi dan merupakan jenis partikel semu. Kredit: OIST

Eksitasi terbentuk ketika semikonduktor menyerap foton cahaya, yang menyebabkan elektron bermuatan negatif melompat dari tingkat energi yang lebih rendah ke tingkat energi yang lebih tinggi. Ini meninggalkan ruang kosong bermuatan positif, yang disebut lubang, pada tingkat energi yang lebih rendah. Elektron dan lubang yang bermuatan berlawanan menarik dan mulai mengorbit satu sama lain, menciptakan eksiton.

Eksitasi sangat penting bagi semikonduktor, tetapi sejauh ini para ilmuwan hanya mampu mendeteksi dan mengukurnya secara terbatas. Satu masalah terletak pada kerapuhannya: relatif sedikit energi yang dibutuhkan untuk memecah eksiton menjadi elektron dan lubang bebas. Selain itu, mereka bersifat sekilas: dalam beberapa materi, eksiton keluar sekitar seperseribu detik setelah terbentuk, ketika elektron yang tereksitasi “jatuh” kembali ke dalam lubang.

“Ilmuwan pertama kali menemukan eksitasi sekitar 90 tahun yang lalu,” kata Profesor Keshav Dani, penulis utama dan kepala unit spektroskopi femtosecond OIST. “Sampai saat ini, secara umum, hanya tanda optik eksiton yang dapat diakses, misalnya cahaya yang dipancarkan oleh eksiton saat dipadamkan. Aspek lain dari sifatnya, seperti momentumnya, dan bagaimana elektron dan lubang mengorbit satu sama lain, hanya dapat dijelaskan secara teoritis.

Instrumentasi digunakan untuk membangkitkan gambar

Instrumen menggunakan pulsa cahaya awal untuk merangsang elektron dan menghasilkan eksiton. Ini dengan cepat diikuti oleh gelombang cahaya kedua yang menggunakan foton ultraviolet ekstrim untuk mengeluarkan elektron dari eksiton material ke dalam ruang hampa mikroskop elektron. Mikroskop elektron mengukur energi dan sudut elektron meninggalkan material untuk menentukan momentum elektron di sekitar lubang eksiton. Kredit: OIST

Namun, pada Desember 2020, para ilmuwan dari Unit Spektroskopi Femtosecond OIST menerbitkan sebuah artikel di Ilmu menggambarkan teknik revolusioner untuk mengukur momentum elektron dalam eksiton.

Sekarang, kami melaporkan pada tanggal 21 April a Kemajuan ilmiah, tim menggunakan teknik ini untuk menangkap gambar pertama yang menunjukkan distribusi elektron di sekitar lubang di dalam eksiton.

Para peneliti pertama kali menghasilkan eksiton dengan mengirimkan pulsa cahaya laser ke semikonduktor dua dimensi, kelas material yang baru ditemukan yang hanya memiliki beberapa atom tebal dan menampung eksitasi yang lebih kuat.

Setelah eksiton terbentuk, tim menggunakan sinar laser dengan foton berenergi ultra tinggi untuk memecah eksiton dan mengeluarkan elektron dari materi ke ruang hampa di dalam mikroskop elektron.

Mikroskop elektron mengukur sudut dan energi elektron saat mereka keluar dari material. Dari informasi ini, para ilmuwan dapat menentukan momentum awal elektron ketika terikat ke lubang di pembangkit listrik.

“Teknik ini memiliki beberapa kemiripan dengan eksperimen bertabrakan fisika energi tinggi, di mana partikel-partikel pecah bersama dengan sejumlah besar energi, memecahnya. Dengan mengukur lintasan partikel internal terkecil yang dihasilkan dalam tumbukan, para ilmuwan dapat mulai menyusun struktur internal dari partikel utuh asli, ”kata Profesor Dani. “Di sini kami melakukan sesuatu yang serupa: kami menggunakan foton sinar ultraviolet ekstrim untuk memecah eksiton dan mengukur lintasan elektron untuk membayangkan apa yang ada di dalamnya.”

“Itu bukan prestasi,” lanjut Profesor Dani. “Pengukuran harus dilakukan dengan sangat hati-hati: pada suhu rendah dan intensitas rendah untuk menghindari pemanasan eksiton. Butuh beberapa hari untuk mendapatkan satu gambar.

Pada akhirnya, tim tersebut dapat mengukur fungsi gelombang eksiton, yang memberikan kemungkinan di mana elektron kemungkinan berada di sekitar lubang.

“Pekerjaan ini merupakan terobosan besar di lapangan,” Dr. Julien Madeo, rekan penulis dan staf ilmuwan Unit Spektroskopi Femtosecond OIST. “Mampu memvisualisasikan orbit internal partikel saat mereka membentuk partikel komposit yang lebih besar dapat memungkinkan kita untuk pada akhirnya memahami, mengukur, dan mengontrol partikel komposit dengan cara yang belum pernah terjadi sebelumnya. Ini memungkinkan kita untuk menciptakan keadaan kuantum materi dan teknologi baru berdasarkan konsep-konsep ini. “

Referensi: “Pengukuran eksperimental fungsi gelombang eksitonik intrinsik” oleh Michael KL Man, Julien Madéo, Chakradhar Sahoo, Kaichen Xie, Marshall Campbell, Vivek Pareek, Arka Karmakar, E Laine Wong, Abdullah Al-Mahboob, Nicholas S. Chan, David R . Bacon, Xing Zhu, Mohamed MM Abdelrasoul, Xiaoqin Li, Tony F. Heinz, Felipe H. da Jornada, Ting Cao dan Keshav M. Dani, 21 April 2021, Kemajuan ilmiah.
DOI: 10.1126 / sciadv.abg0192

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Alat-alat baru dibutuhkan untuk mencegah pandemi penyakit tanaman

Mengamati penyakit tanaman dapat mengungkapkan keamanan pangan. Penyakit tanaman tidak berhenti di perbatasan negara, dan kilometer lautan juga tidak mencegah penyebarannya. Itulah mengapa pengawasan...

Ilmuwan Menjelajahi Tesla Roads Jangan Ambil – Dan Temukan Kekuatan Baru Berguna dalam Penemuan Centennial

Foto eksposur ganda Nikola Tesla pada bulan Desember 1899 duduk di laboratoriumnya di Colorado Springs di sebelah kaca pembesar generator tegangan tinggi sementara mesin...

Untuk Mempercepat Akses, Mikroskopi yang Sangat Dapat Diputar Meninggalkan “Di Bawah Kisi”

Contoh desain ubin yang digunakan pada ulat percobaan C. elegans. Mesin non-grid memberi model fleksibilitas sementara untuk dengan cepat memasuki lingkungan yang menyenangkan....

Lingkar Kuno Munculnya Tektonik Lempeng Data 3,6 Miliar Tahun Lalu – Peristiwa Penting untuk Memperkaya Kehidupan Bumi

Zirkonia yang dipelajari oleh tim peneliti, difoto menggunakan katodoluminesensi, memungkinkan tim untuk melihat bagian dalam kristal menggunakan mikroskop elektron khusus. Lingkar zirkon adalah...

Bisakah kita mengurangi kecanduan opioid? [Video]

Pada 2017, jutaan orang di seluruh dunia kecanduan opioid dan 115.000 meninggal karena overdosis. Opioid adalah obat penghilang rasa sakit paling manjur yang kita miliki,...

Newsletter

Subscribe to stay updated.