Ученые из Окинавского института науки и технологий Высшего университета (OIST), Национальной ускорительной лаборатории SLAC (SLAC) и Стэнфордского университета впервые в мире сфотографировали и измерили две части уникальной частицы — муарового экситона. Исследование было опубликовано в журнале Nature.
Экситон — электрически нейтральная квазичастица, которая образуется при попадании света на полупроводниковый материал. Частицы света (фотоны) взаимодействуют с электронами полупроводника и переходят на более высокий энергетический уровень, оставляя после себя дырку на нижнем энергетическом уровне. Дырка и электрон заряжены противоположно, поэтому они взаимно притягиваются и вращаются вокруг друг друга, образуя короткоживущий экситон.
Часто экситоны существуют не дольше нескольких тысяч миллиардных долей секунды, что делает их невероятно трудными для изучения. Муаровые экситоны, которые образуются между двумя полупроводниковыми слоями, — более долгоживущие, поэтому они стали более привлекательным материалом для исследования. Однако информация об их размере, форме и поведении остается неясной. Ученые считают, что сведения об этих частицах способны революционизировать технологические и квантовые устройства.
Ранее исследователям удавалось визуализировать только электронную часть экситона. В этой работе ученые впервые смогли визуализировать отверстие экситона. Для этого исследователи наложили друг на друга два полупроводниковых слоя, благодаря которым замедляется сближение электрона и дырки, а экситон существует дольше. Слои полупроводника должны быть выровнены очень специфическим образом, чтобы создать так называемый муаровый узор.
«Представьте, что атомная структура двух разных материалов подобна двум сетям. Структуры похожи друг на друга, но они не совсем одинаковы. Когда сети кладут друг на друга, в некоторых местах зазоры в сетях перекрываются, а в других — нет. В результате получается муаровый узор, который выражает периодический "ландшафт" электронных энергетических уровней в материале», — объясняет доктор Оури Карни из SLAC и Стэнфордского университета.
Полученные образцы ученые отправили в OIST, где на материал направили луч света в крайнем ультрафиолетовом диапазоне. Энергия была настолько высока, что экситоны распались, их электроны вылетели из материала. Измеряя скорость и углы электронов, когда они покидают материал, ученые смогли построить изображение экситона.
Ученые обнаружили, что экситоны очень локализованы муаровым узором и образуются в местах, где энергия была минимальной. Это означало, что экситоны были закреплены в локациях-карманах размером около 1,8 нанометра, несмотря на их относительно большой диаметр — около 5,2 нанометра. Кроме того, ученые смогли оценить количество присутствующих экситонов, чего они не могли сделать только с электронными сигналами. Также исследователям удалось получить новое представление об экситонах — насколько далеко друг от друга находятся электрон и дырка и как они вместе перемещаются в материале.
Еще одна важная и захватывающая часть этого исследования как с концептуальной, так и с экспериментальной точки зрения — визуализация дырки, которая на самом деле представляет собой отсутствие электрона. Она не излучает никаких собственных сигналов, и ее присутствие можно обнаружить только по тому, что находится вокруг нее. Подобным образом обнаруживаются черные дыры.
«После почти столетия знаний о существовании экситонов мы можем получить почти целостное представление об этой важной частице, вглядываясь в нее и визуализируя обе составляющие ее частицы. Это исследование открывает двери для изучения более сложных явлений с экситонами для квантовых технологий. Наша демонстрация закрепления большого муарового экситона в крошечных карманах — только начало», — заключил профессор Кешав Дани из OIST.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
