Para peneliti di Institut Sains dan Teknologi Okinawa (OIST) mengukur distribusi momentum fotoelektron yang dipancarkan oleh rangsangan dalam satu lapisan tungsten diselenide, dan gambar yang diambil menunjukkan orbit internal atau distribusi spasial partikel dalam rangsangan—ini dia sebuah tujuan yang tidak dapat dicapai oleh para ilmuwan sejak exciton ditemukan hampir seabad yang lalu.
Excitons adalah keadaan tereksitasi materi yang ditemukan di semikonduktor-jenis bahan ini adalah kunci untuk banyak perangkat teknologi modern, seperti sel surya, LED, laser, dan smartphone.
"Excitons adalah partikel yang sangat unik dan menarik; mereka netral secara elektrik, yang berarti bahwa mereka berperilaku dalam bahan sangat berbeda dari partikel lain seperti elektron. Kehadiran mereka benar-benar dapat mengubah cara bahan bereaksi terhadap cahaya, "Kata Umum Dr. Michael Man, penulis dan ilmuwan pertama di Femtosecond Spectroscopy Group of OIST. "Pekerjaan ini membawa kita lebih dekat untuk sepenuhnya memahami sifat kegembiraan."
Excitons terbentuk ketika semikonduktor menyerap foton, yang menyebabkan elektron bermuatan negatif melompat dari tingkat energi rendah ke tingkat energi tinggi. Ini meninggalkan kekosongan bermuatan positif pada tingkat energi yang lebih rendah, yang disebut lubang. Elektron dan lubang yang bermuatan berlawanan saling tarik menarik, dan mereka mulai mengorbit satu sama lain, yang menciptakan eksiton.
Excitons sangat penting dalam semikonduktor, tetapi sejauh ini, para ilmuwan hanya dapat mendeteksi dan mengukurnya dengan cara yang terbatas. Satu masalah terletak pada kerapuhannya - dibutuhkan energi yang relatif sedikit untuk memecah eksiton menjadi elektron dan lubang bebas. Selain itu, mereka cepat berlalu di alam - dalam beberapa bahan, eksiton akan padam dalam beberapa seperseribu waktu setelah mereka terbentuk, di mana pada saat itu elektron yang tereksitasi akan "jatuh" kembali ke dalam lubang.
"Para ilmuwan pertama kali menemukan rangsangan sekitar 90 tahun yang lalu," kata Profesor Keshav Dani, penulis senior dan kepala kelompok spektroskopi femtosecond OIST. "Tetapi sampai saat ini, orang biasanya hanya mendapatkan karakteristik optik dari rangsangan--misalnya, cahaya yang dipancarkan ketika rangsangan menghilang. Aspek lain dari sifat mereka, seperti momentum mereka, dan bagaimana elektron dan lubang bekerja satu sama lain, hanya dapat diketahui. diturunkan dari Jelaskan secara teoritis."
Namun, pada Desember 2020, para ilmuwan dari OIST Femtosecond Spectroscopy Group menerbitkan sebuah makalah di jurnal Science yang menjelaskan teknik revolusioner untuk mengukur momentum elektron dalam rangsangan. Sekarang, dalam "Science Advances" edisi 21 April, tim menggunakan teknologi ini untuk menangkap untuk pertama kalinya gambar yang menunjukkan distribusi elektron di sekitar lubang dalam rangsangan.
Para peneliti pertama kali menghasilkan rangsangan dengan mengirimkan pulsa laser ke semikonduktor dua dimensi-jenis bahan yang ditemukan baru-baru ini yang tebalnya hanya beberapa atom dan mengandung rangsangan yang lebih kuat. Setelah rangsangan terbentuk, tim peneliti menggunakan sinar laser dengan foton energi ultra-tinggi untuk menguraikan rangsangan dan menendang elektron langsung keluar dari material ke ruang vakum di mikroskop elektron. Mikroskop elektron mengukur sudut dan energi elektron saat mereka terbang keluar dari material. Dari informasi ini, para ilmuwan dapat menentukan momentum awal ketika elektron bergabung dengan lubang di eksiton.
"Teknologi ini memiliki beberapa kesamaan dengan eksperimen penabrak dalam fisika energi tinggi. Dalam penabrakan, partikel-partikel dihancurkan bersama oleh energi yang kuat, memecahnya. Dengan mengukur partikel internal yang lebih kecil yang dihasilkan dalam lintasan tumbukan, para ilmuwan dapat mulai memotong-motongnya. bersama-sama struktur internal partikel lengkap asli," kata Profesor Dani. "Di sini, kami melakukan hal serupa - kami menggunakan foton sinar ultraviolet ekstrem untuk memecah eksiton, dan mengukur lintasan elektron untuk menggambarkan apa yang ada di dalamnya."
"Ini bukan prestasi yang sederhana," lanjut Profesor Dani. “Pengukuran harus dilakukan dengan sangat hati-hati-pada suhu rendah dan intensitas rendah untuk menghindari pemanasan rangsangan. Butuh beberapa hari untuk mendapatkan gambar. Pada akhirnya, tim berhasil mengukur fungsi gelombang dari rangsangan, dan itu memberi probabilitas bahwa elektron dapat ditempatkan di sekitar lubang.
"Pekerjaan ini merupakan kemajuan penting dalam bidang ini," kata Dr. Julien Madeo, penulis pertama studi tersebut dan ilmuwan di Femtosecond Spectroscopy Group of OIST. "Kemampuan untuk melihat secara visual orbit internal partikel, karena mereka membentuk partikel komposit yang lebih besar, yang memungkinkan kita untuk memahami, mengukur, dan pada akhirnya mengontrol partikel komposit dengan cara yang belum pernah terjadi sebelumnya. Ini memungkinkan kita untuk membuat yang baru berdasarkan konsep ini. Kuantum keadaan materi dan teknologi."
Hak Cipta @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - Modul Serat Optik Cina, Produsen Laser Gabungan Serat, Pemasok Komponen Laser Semua Hak Dilindungi Undang-Undang.
