Pesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) mediram a distribuição de momento de fotoelétrons emitidos por éxcitons em uma única camada de disseleneto de tungstênio e capturaram imagens mostrando as órbitas internas ou distribuição espacial de partículas em éxcitons. um objetivo que os cientistas não conseguiram alcançar desde que o exciton foi descoberto há quase um século.
Excitons são o estado excitado da matéria encontrado em semicondutores - esse tipo de material é a chave para muitos dispositivos tecnológicos modernos, como células solares, LEDs, lasers e smartphones.
"Excitons são partículas muito únicas e interessantes; eles são eletricamente neutros, o que significa que eles se comportam em materiais de maneira muito diferente de outras partículas, como elétrons. Sua presença pode realmente mudar a maneira como os materiais reagem à luz", disse Common disse o Dr. Michael Man, o primeiro autor e cientista do Grupo de Espectroscopia de Femtossegundos da OIST. “Este trabalho nos aproxima da compreensão completa da natureza dos excitons”.
Os excitons são formados quando um semicondutor absorve fótons, o que faz com que os elétrons carregados negativamente saltem de um nível de baixa energia para um nível de alta energia. Isso deixa vagas com carga positiva em níveis de energia mais baixos, chamados de buracos. Os elétrons e buracos com cargas opostas se atraem e começam a orbitar um ao outro, o que cria excitons.
Excitons são vitais em semicondutores, mas até agora, os cientistas só podem detectá-los e medi-los de maneira limitada. Um problema está em sua fragilidade - é preciso relativamente pouca energia para quebrar éxcitons em elétrons livres e buracos. Além disso, eles são de natureza fugaz - em alguns materiais, os excitons serão extintos alguns milésimos de tempo após serem formados, momento em que os elétrons excitados "cairão" de volta no buraco.
"Os cientistas descobriram os excitons há cerca de 90 anos", disse o professor Keshav Dani, autor sênior e chefe do grupo de espectroscopia de femtossegundos do OIST. "Mas até recentemente, as pessoas geralmente só tinham as características ópticas dos excitons - por exemplo, a luz emitida quando os excitons desaparecem. Outros aspectos de suas propriedades, como seu momento, e como elétrons e buracos funcionam uns com os outros, só podem ser derivado de Descrever teoricamente."
No entanto, em dezembro de 2020, cientistas do OIST Femtosecond Spectroscopy Group publicaram um artigo na revista Science descrevendo uma técnica revolucionária para medir o momento de elétrons em excitons. Agora, na edição de 21 de abril de "Science Advances", a equipe usou essa tecnologia para capturar pela primeira vez imagens mostrando a distribuição de elétrons em torno de buracos em excitons.
Os pesquisadores primeiro geraram excitons enviando pulsos de laser para um semicondutor bidimensional - um tipo de material descoberto recentemente que tem apenas alguns átomos de espessura e contém excitons mais poderosos. Depois que os excitons são formados, a equipe de pesquisa usou um feixe de laser com fótons de energia ultra-alta para decompor os excitons e expulsar os elétrons diretamente do material para o espaço de vácuo no microscópio eletrônico. O microscópio eletrônico mede o ângulo e a energia dos elétrons à medida que saem do material. A partir dessa informação, os cientistas podem determinar o momento inicial quando os elétrons se combinam com as lacunas nos excitons.
"Esta tecnologia tem algumas semelhanças com o experimento do colisor em física de alta energia. No colisor, as partículas são esmagadas por uma forte energia, quebrando-as. Ao medir as partículas internas menores produzidas na trajetória de colisão, os cientistas podem começar a fragmentar juntos a estrutura interna da partícula completa original", disse o professor Dani. "Aqui, estamos fazendo algo semelhante - estamos usando fótons de luz ultravioleta extremos para quebrar os excitons e medindo as trajetórias dos elétrons para descrever o que está dentro".
"Isso não é um feito simples", continuou o professor Dani. "A medição deve ser feita com muito cuidado - em baixa temperatura e baixa intensidade para evitar o aquecimento dos excitons. Demorou alguns dias para adquirir uma imagem. No final, a equipe mediu com sucesso a função de onda dos excitons, e deu The probabilidade de que o elétron possa estar localizado ao redor do buraco.
"Este trabalho é um avanço importante neste campo", disse o Dr. Julien Madeo, o primeiro autor do estudo e cientista do Grupo de Espectroscopia de Femtossegundos da OIST. "A capacidade de ver visualmente as órbitas internas das partículas, porque elas formam partículas compostas maiores, o que nos permite entender, medir e, finalmente, controlar partículas compostas de uma maneira sem precedentes. Isso nos permite criar novas com base nesses conceitos. O quantum estado da matéria e da tecnologia."
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