17 мая 2021

Физикам впервые удалось "увидеть" экситон

После нескольких десятилетий тщетных усилий, ученым-физикам, наконец, удалось увидеть эфемерное образование, квазичастицу, называемую экситоном. Полученное учеными изображение экситона позволяет определить истинное местоположение, которое занимает электрон в структуре этой квазичастицы, а это, в свою очередь, позволит ученым получить материю в совершенно новыхсостояниях вещества или использовать экситоны в новых квантовых технологиях.

Экситоны образуются в полупроводниках и некоторых диэлектрических материалах. Когда на поверхность такого материала падает фотон света, энергия этого фотона переводит один из электронов в более высокоэнергетическое, возбужденное, состояние. Возбужденный электрон покидает пределы своего атома, становясь свободным электроном, и оставляет на своем месте так называемую электронную дырку, имеющую положительный электрический заряд. В некоторых случаях электрон и дырка начинают вращаться друг вокруг друга и формируют экситон, который нейтрален с электрической точки зрения. Экситоны являются короткоживущими квазичастицами, практически моментально электрон "ныряет" обратно в дырку и экситон исчезает, излучая при этом фотон света.

До последнего времени ученые имели возможность наблюдать за экситонами лишь по вторичным эффектам, в частности, по излучаемым ими в момент аннигиляции фотонами света. А другие параметры этих квазичастиц, такие, как импульс, энергия, диаметры орбит электрона и дырки, оставались значениями, рассчитанными согласно имеющимся теориям.

Поскольку электроны обладают свойством дуализма, т.е. они могут быть описаны как частицы и как электромагнитные волны, их местоположение и импульс не могут быть определены одновременно с достаточной точностью. У экситона существует даже такой параметр, как "облако вероятности", которое описывает сферу, внутри которой электрон может вращаться вокруг дырки.

Для более подробного изучения экситонов ученые взяли очень тонкий, толщиной в несколько атомов, лист полупроводникового материала и сфокусировали на нем свет лазера. Когда на поверхности материала начали формироваться экситоны, ученые использовали еще один лазер, вырабатывающий более высокоэнергетические фотоны ультрафиолетового света. И когда такой фотон ударял в экситон, он, этот экситон, "разбивался", а свободный электрон с большой скоростью покидал место происшествия. В качестве детектора таких электронов ученые использовали датчик от обычного электронного микроскопа.

"Данная технология имеет нечто общее с высокоэнергетическими физическими экспериментами, когда в недрах коллайдера высокоэнергетические частицы разбиваются на более мелкие частицы, сталкиваясь с другими такими частицами" - пишут исследователи, - "Только в данном случае мы разбили экситоны при помощи фотонов ультрафиолетового света и фиксировали траектории разлетающихся электронов".

Путем анализа траектории и скорости электронов ученые вычислили их местоположение внутри экситона, форму и размер этой квазичастицы. Полученное изображение напоминает Солнце на фоне ясного безоблачного неба, но на самом деле мы видим напрямую облако вероятности экситона, место, где электрон вращается вокруг электронной дырки.

И в заключение следует отметить, что в незамысловатой картинке, представленной выше, содержится множество информации, которая позволит ученым узнать больше о квантовой физике и о происходящих в полупроводниковых материалах процессах. Сейчас, спустя почти столетие с момента первого открытия экситона в 1931 году, мы получили возможность увидеть то, что на самом деле представляет собой эта квазичастица. А для уточнения некоторых параметров экситона потребуется проведение дополнительных измерений при чрезвычайно низких температурах, и, возможно, экситон раскроет людям все свои тайны ближе к моменту столетия со дня его открытия.