पत्ता लगाएको एक शताब्दी पछि, मानवले पहिलो पटक एक्सिटोनको इलेक्ट्रोन कक्षीय छवि कब्जा गरेको छ।

ओकिनावा इन्स्टिच्युट अफ साइन्स एन्ड टेक्नोलोजी (ओआईएसटी) का अन्वेषकहरूले टंगस्टन डिसेलेनाइडको एक तहमा एक्सिटोनहरूद्वारा उत्सर्जित फोटोइलेक्ट्रोनको गति वितरण मापन गरे, र एक्सिटोनहरूमा कणहरूको आन्तरिक परिक्रमा वा स्थानिय वितरण देखाउने छविहरू खिचे। "यो यो हो। करिब एक शताब्दी अघि एक्साइटन पत्ता लागेदेखि वैज्ञानिकहरूले हासिल गर्न नसकेको लक्ष्य।

Excitons अर्धचालकहरूमा पाइने पदार्थको उत्तेजित अवस्था हो - यो प्रकारको सामग्री धेरै आधुनिक प्राविधिक उपकरणहरू जस्तै सौर्य कक्षहरू, LEDs, लेजरहरू, र स्मार्टफोनहरूको लागि कुञ्जी हो।

"एक्सिटोनहरू धेरै अनौठो र चाखलाग्दो कणहरू हुन्; तिनीहरू विद्युतीय रूपमा तटस्थ हुन्छन्, जसको अर्थ तिनीहरूले सामग्रीहरूमा इलेक्ट्रोनहरू जस्ता अन्य कणहरू भन्दा धेरै फरक रूपमा व्यवहार गर्छन्। तिनीहरूको उपस्थितिले सामग्रीहरूले प्रकाशमा प्रतिक्रिया गर्ने तरिकालाई साँच्चै परिवर्तन गर्न सक्छ," आमले डा. माइकल म्यानले भने। OIST को Femtosecond Spectroscopy Group मा पहिलो लेखक र वैज्ञानिक। "यस कामले हामीलाई एक्साइटन्सको प्रकृतिलाई पूर्ण रूपमा बुझ्नको लागि नजिक ल्याउँछ।"

सेमीकन्डक्टरले फोटानहरू अवशोषित गर्दा एक्सिटोनहरू बन्छन्, जसले नकारात्मक रूपमा चार्ज भएका इलेक्ट्रोनहरूलाई कम ऊर्जा स्तरबाट उच्च ऊर्जा स्तरमा उफ्रन्छ। यसले निम्न ऊर्जा स्तरहरूमा सकारात्मक चार्ज गरिएको रिक्त स्थानहरू छोड्छ, जसलाई होल भनिन्छ। विपरित चार्ज भएका इलेक्ट्रोनहरू र प्वालहरू एकअर्कालाई आकर्षित गर्छन्, र तिनीहरू एक अर्काको परिक्रमा गर्न थाल्छन्, जसले एक्सिटोनहरू सिर्जना गर्दछ।

Excitons अर्धचालकहरूमा अत्यावश्यक छन्, तर अहिलेसम्म, वैज्ञानिकहरूले मात्र सीमित तरिकामा पत्ता लगाउन र मापन गर्न सक्छन्। एउटा समस्या तिनीहरूको नाजुकतामा निहित छ - यसले नि: शुल्क इलेक्ट्रोनहरू र प्वालहरूमा एक्सिटोनहरू तोड्न अपेक्षाकृत थोरै ऊर्जा लिन्छ। थप रूपमा, तिनीहरू प्रकृतिमा क्षणिक छन्-केही सामग्रीहरूमा, एक्सिटोनहरू बनिसकेपछिको केही हजारौं भाग भित्र निभाइनेछ, जुन समयमा उत्तेजित इलेक्ट्रोनहरू प्वालमा "झर्ने" हुनेछन्।

"वैज्ञानिकहरूले पहिलो पटक करिब ९० वर्ष पहिले एक्सिटोन पत्ता लगाएका थिए," प्राध्यापक केशव दानी, वरिष्ठ लेखक र ओआईएसटीको फेमटोसेकेन्ड स्पेक्ट्रोस्कोपी समूहका प्रमुखले भने। "तर भर्खरैसम्म, मानिसहरूले सामान्यतया एक्जिटोन्सको अप्टिकल विशेषताहरू मात्र पाएका थिए - उदाहरणका लागि, एक्सिटोनहरू गायब हुँदा प्रकाश उत्सर्जित हुन्छ। तिनीहरूका गुणहरूका अन्य पक्षहरू, जस्तै तिनीहरूको गति, र कसरी इलेक्ट्रोन र प्वालहरू एकअर्कासँग काम गर्छन्, मात्र हुन सक्छ। सैद्धान्तिक रूपमा वर्णन बाट व्युत्पन्न।"

यद्यपि, डिसेम्बर २०२० मा, OIST Femtosecond Spectroscopy Group का वैज्ञानिकहरूले जर्नल साइन्समा एक पेपर प्रकाशित गरे जसमा एक्सिटोनहरूमा इलेक्ट्रोनहरूको गति नाप्ने क्रान्तिकारी प्रविधिको वर्णन गरिएको थियो। अब, "साइन्स एडभान्सेस" को अप्रिल २१ को अंकमा, टोलीले एक्सिटोनहरूमा प्वालहरू वरिपरि इलेक्ट्रोनहरूको वितरण देखाउँदै पहिलो पटक छविहरू खिच्न यो प्रविधि प्रयोग गर्‍यो।

अन्वेषकहरूले पहिलो पटक दुई-आयामी सेमीकन्डक्टरमा लेजर पल्स पठाएर एक्सिटोनहरू उत्पन्न गरे - भर्खरै फेला परेको एक प्रकारको सामग्री जुन केवल केही परमाणुहरू बाक्लो छ र अधिक शक्तिशाली एक्सिटोनहरू समावेश गर्दछ। एक्सिटोनहरू बनिसकेपछि, अनुसन्धान टोलीले एक्साइटनहरू विघटन गर्न र इलेक्ट्रोनहरूलाई इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोपमा भ्याकुम स्पेसमा सीधै सामग्रीबाट बाहिर निकाल्न अल्ट्रा-उच्च उर्जा फोटनहरू भएको लेजर बीम प्रयोग गर्‍यो। इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोपले सामग्रीबाट बाहिर उड्दा इलेक्ट्रोनहरूको कोण र ऊर्जा नाप्छ। यस जानकारीबाट, वैज्ञानिकहरूले प्रारम्भिक गति निर्धारण गर्न सक्छन् जब इलेक्ट्रोनहरू एक्सिटोनहरूमा प्वालहरूसँग जोडिन्छन्।

"यो टेक्नोलोजीको उच्च-ऊर्जा भौतिकीमा कोलाइडर प्रयोगसँग केही समानताहरू छन्। कोलाइडरमा, कणहरूलाई बलियो ऊर्जाद्वारा चकनाचूर गरिन्छ, तिनीहरूलाई टुक्राइन्छ। टक्कर ट्र्याजेक्टोरीमा उत्पादित साना आन्तरिक कणहरू नाप्दै, वैज्ञानिकहरूले टुक्रा टुक्रा गर्न सुरु गर्न सक्छन्। सँगै मूल पूर्ण कणको आन्तरिक संरचना, "प्राध्यापक दानीले भने। "यहाँ, हामी यस्तै केहि गर्दैछौं - हामी एक्सिटोनहरू तोड्नको लागि चरम पराबैंगनी प्रकाश फोटोनहरू प्रयोग गर्दैछौं, र भित्र के छ भनेर वर्णन गर्न इलेक्ट्रोनहरूको प्रक्षेपणहरू नाप्दैछौं।"

"यो साधारण उपलब्धि होइन," प्रोफेसर दानीले जारी राखे। "मापन धेरै सावधानीपूर्वक गरिनु पर्छ - कम तापक्रम र कम तीव्रतामा एक्सिटोनहरू तताउनबाट बच्न। छवि प्राप्त गर्न केही दिन लाग्यो। अन्तमा, टोलीले सफलतापूर्वक एक्सिटोनहरूको लहर प्रकार्य मापन गर्यो, र यसले दियो। इलेक्ट्रोन प्वाल वरिपरि अवस्थित हुन सक्छ भन्ने सम्भावना।

"यो काम यस क्षेत्रमा महत्त्वपूर्ण प्रगति हो," अध्ययनका पहिलो लेखक र ओआईएसटीको फेमटोसेकेन्ड स्पेक्ट्रोस्कोपी समूहका वैज्ञानिक डा. जुलियन माडियोले भने। "कणहरूको आन्तरिक कक्षाहरू दृश्यात्मक रूपमा हेर्ने क्षमता, किनभने तिनीहरूले ठूला कम्पोजिट कणहरू बनाउँछन्, जसले हामीलाई बुझ्न, मापन गर्न र अन्ततः मिश्रित कणहरूलाई अभूतपूर्व रूपमा नियन्त्रण गर्न अनुमति दिन्छ। यसले हामीलाई यी अवधारणाहरूमा आधारित नयाँहरू सिर्जना गर्न अनुमति दिन्छ। क्वान्टम। पदार्थ र प्रविधिको अवस्था।"