발견된 지 한 세기 만에 인간은 엑시톤의 전자 궤도 이미지를 처음으로 포착했습니다.

오키나와 과학 기술 연구소(OIST) 연구원들은 이셀렌화 텅스텐 단일층에서 여기자가 방출하는 광전자의 운동량 분포를 측정하고 여기자 내 입자의 내부 궤도 또는 공간 분포를 보여주는 이미지를 캡처했습니다. 이것이 바로 이것이다. 엑시톤이 거의 한 세기 전에 발견된 이후 과학자들이 달성할 수 없었던 목표.

여기자는 반도체에서 발견되는 물질의 여기 상태입니다. 이러한 유형의 물질은 태양 전지, LED, 레이저 및 스마트폰과 같은 많은 현대 기술 장치의 핵심입니다.

"엑시톤은 매우 독특하고 흥미로운 입자입니다. 그들은 전기적으로 중성이므로 전자와 같은 다른 입자와 매우 다르게 물질에서 거동합니다. 그들의 존재는 물질이 빛에 반응하는 방식을 실제로 바꿀 수 있습니다."라고 Common Said Dr. Michael Man은 말했습니다. OIST의 Femtosecond Spectroscopy Group의 첫 번째 저자이자 과학자입니다. "이 연구는 여기자의 본질을 완전히 이해하는 데 더 가까이 다가갑니다."

엑시톤은 반도체가 광자를 흡수할 때 형성되며, 이는 음으로 하전된 전자가 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 점프하게 합니다. 이것은 정공이라고 하는 낮은 에너지 준위에서 양전하를 띤 공석을 남깁니다. 반대 전하를 띤 전자와 정공은 서로를 끌어당기고 서로 공전하기 시작하여 여기자를 생성합니다.

엑시톤은 반도체에서 매우 중요하지만 지금까지 과학자들은 제한된 방식으로만 감지하고 측정할 수 있었습니다. 한 가지 문제는 취약성에 있습니다. 여기자를 자유 전자와 정공으로 분해하는 데 상대적으로 적은 에너지가 필요합니다. 또한, 그것들은 자연에서 일시적입니다. 일부 물질에서는 여기자가 형성된 후 수천 분의 1 시간 이내에 소멸되며, 이때 여기된 전자는 구멍으로 다시 "떨어집니다".

수석 저자이자 OIST의 펨토초 분광학 그룹 책임자인 Keshav Dani 교수는 "과학자들은 약 90년 전에 여기자를 처음 발견했습니다. "그러나 최근까지 사람들은 일반적으로 엑시톤의 광학적 특성, 예를 들어 엑시톤이 사라질 때 방출되는 빛만을 얻었습니다. 운동량, 전자와 정공이 서로 작용하는 방식과 같은 특성의 다른 측면은 이론적으로 설명에서 파생되었습니다."

그러나 2020년 12월 OIST Femtosecond Spectroscopy Group의 과학자들은 엑시톤에서 전자의 운동량을 측정하는 혁신적인 기술을 설명하는 논문을 Science 저널에 발표했습니다. 이제 "Science Advances" 4월 21일자에서 팀은 이 기술을 사용하여 여기자의 정공 주변에 전자 분포를 보여주는 이미지를 처음으로 캡처했습니다.

연구원들은 처음에 2차원 반도체에 레이저 펄스를 보내 엑시톤을 생성했는데, 이는 원자 두께가 몇 개에 불과하고 더 강력한 엑시톤을 포함하는 최근 발견된 물질 유형입니다. 엑시톤이 형성된 후 연구팀은 초고에너지 광자를 가진 레이저 빔을 사용하여 엑시톤을 분해하고 전자현미경의 진공 공간으로 물질에서 직접 전자를 걷어찼다. 전자 현미경은 전자가 물질 밖으로 날아갈 때 각도와 에너지를 측정합니다. 이 정보로부터 과학자들은 전자가 여기자의 정공과 결합할 때 초기 운동량을 결정할 수 있습니다.

"이 기술은 고에너지 물리학의 충돌기 실험과 몇 가지 유사점이 있습니다. 충돌기에서 입자는 강한 에너지에 의해 함께 부숴지고 부서집니다. 충돌 궤적에서 생성된 더 작은 내부 입자를 측정함으로써 과학자들은 조각을 시작할 수 있습니다. 원래 완전한 입자의 내부 구조와 함께"라고 Dani 교수는 말했습니다. "여기에서 우리는 비슷한 일을 하고 있습니다. 극자외선 광자를 사용하여 여기자를 분해하고 전자의 궤적을 측정하여 내부에 무엇이 있는지 설명하고 있습니다."

다니 교수는 "이것은 단순한 위업이 아니다"라고 말했다. "측정은 엑시톤의 가열을 피하기 위해 저온 및 저강도에서 매우 신중하게 수행되어야 합니다. 이미지를 획득하는 데 며칠이 걸렸습니다. 결국 팀은 엑시톤의 파동 함수를 성공적으로 측정하고 결과를 얻었습니다. 전자가 구멍 주위에 있을 가능성.

이번 연구의 제1저자이자 OIST 펨토초 분광기 그룹의 과학자인 Julien Madeo 박사는 "이 연구는 이 분야에서 중요한 발전입니다."라고 말했습니다. "입자가 더 큰 복합 입자를 형성하기 때문에 입자의 내부 궤도를 시각적으로 볼 수 있는 능력을 통해 전례 없는 방식으로 복합 입자를 이해, 측정 및 궁극적으로 제어할 수 있습니다. 이를 통해 이러한 개념을 기반으로 새로운 입자를 만들 수 있습니다. 양자 물질과 기술의 상태."