Un secolo dopo essere stati scoperti, gli esseri umani hanno catturato per la prima volta l'immagine orbitale degli elettroni degli eccitoni

I ricercatori dell'Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) hanno misurato la distribuzione della quantità di moto dei fotoelettroni emessi dagli eccitoni in un singolo strato di diseleniuro di tungsteno e hanno catturato immagini che mostrano le orbite interne o la distribuzione spaziale delle particelle negli eccitoni: ecco qui un obiettivo che gli scienziati non sono stati in grado di raggiungere da quando l'eccitone è stato scoperto quasi un secolo fa.

Gli eccitoni sono lo stato eccitato della materia che si trova nei semiconduttori: questo tipo di materiale è la chiave di molti dispositivi tecnologici moderni, come celle solari, LED, laser e smartphone.

"Gli eccitoni sono particelle davvero uniche e interessanti; sono elettricamente neutri, il che significa che si comportano nei materiali in modo molto diverso da altre particelle come gli elettroni. La loro presenza può davvero cambiare il modo in cui i materiali reagiscono alla luce", ha detto il Dr. Michael Man, Common Said. il primo autore e scienziato nel gruppo di spettroscopia a femtosecondi dell'OIST. "Questo lavoro ci avvicina alla piena comprensione della natura degli eccitoni".

Gli eccitoni si formano quando un semiconduttore assorbe i fotoni, il che fa sì che gli elettroni carichi negativamente saltino da un livello di energia basso a un livello di energia alto. Questo lascia posti liberi caricati positivamente a livelli di energia più bassi, chiamati buchi. Gli elettroni e le lacune di carica opposta si attraggono e iniziano a orbitare l'uno intorno all'altro, creando eccitoni.

Gli eccitoni sono vitali nei semiconduttori, ma finora gli scienziati possono rilevarli e misurarli solo in modo limitato. Un problema risiede nella loro fragilità: ci vuole relativamente poca energia per scomporre gli eccitoni in elettroni liberi e lacune. Inoltre, sono di natura fugace: in alcuni materiali, gli eccitoni si estingueranno entro pochi millesimi dal tempo successivo alla loro formazione, momento in cui gli elettroni eccitati "cadranno" nuovamente nella lacuna.

"Gli scienziati hanno scoperto per la prima volta gli eccitoni circa 90 anni fa", ha affermato il professor Keshav Dani, autore senior e capo del gruppo di spettroscopia a femtosecondi dell'OIST. "Ma fino a poco tempo fa, le persone di solito avevano solo le caratteristiche ottiche degli eccitoni, ad esempio la luce emessa quando gli eccitoni scompaiono. Altri aspetti delle loro proprietà, come la loro quantità di moto e il modo in cui elettroni e lacune funzionano tra loro, possono solo essere derivato da Descrivi teoricamente."

Tuttavia, nel dicembre 2020, gli scienziati dell'OIST Femtosecond Spectroscopy Group hanno pubblicato un articolo sulla rivista Science che descrive una tecnica rivoluzionaria per misurare la quantità di moto degli elettroni negli eccitoni. Ora, nel numero del 21 aprile di "Science Advances", il team ha utilizzato questa tecnologia per acquisire per la prima volta immagini che mostrano la distribuzione degli elettroni attorno ai buchi negli eccitoni.

I ricercatori hanno prima generato eccitoni inviando impulsi laser a un semiconduttore bidimensionale, un tipo di materiale scoperto di recente che ha uno spessore di pochi atomi e contiene eccitoni più potenti. Dopo che gli eccitoni si sono formati, il team di ricerca ha utilizzato un raggio laser con fotoni ad altissima energia per decomporre gli eccitoni ed espellere gli elettroni direttamente dal materiale nello spazio vuoto del microscopio elettronico. Il microscopio elettronico misura l'angolo e l'energia degli elettroni mentre volano fuori dal materiale. Da queste informazioni, gli scienziati possono determinare la quantità di moto iniziale quando gli elettroni si combinano con i buchi negli eccitoni.

"Questa tecnologia ha alcune somiglianze con l'esperimento del collisore nella fisica delle alte energie. Nel collisore, le particelle vengono frantumate insieme da una forte energia, rompendole. Misurando le particelle interne più piccole prodotte nella traiettoria di collisione, gli scienziati possono iniziare a ricostruire insieme la struttura interna della particella completa originale", ha detto il professor Dani. "Qui, stiamo facendo qualcosa di simile: stiamo usando fotoni di luce ultravioletta estrema per rompere gli eccitoni e misuriamo le traiettorie degli elettroni per descrivere cosa c'è dentro".

"Questa non è un'impresa semplice", ha continuato il professor Dani. "La misurazione deve essere eseguita con molta attenzione, a bassa temperatura e bassa intensità per evitare di riscaldare gli eccitoni. Ci sono voluti alcuni giorni per acquisire un'immagine. Alla fine, il team ha misurato con successo la funzione d'onda degli eccitoni e ha fornito probabilità che l'elettrone si trovi intorno alla lacuna.

"Questo lavoro è un importante progresso in questo campo", ha affermato il dottor Julien Madeo, il primo autore dello studio e uno scienziato del gruppo di spettroscopia a femtosecondi dell'OIST. "La capacità di vedere visivamente le orbite interne delle particelle, perché formano particelle composite più grandi, che ci permette di comprendere, misurare e infine controllare le particelle composite in un modo senza precedenti. Questo ci permette di crearne di nuove basate su questi concetti. Il quanto stato della materia e della tecnologia".