Los excitones técnicamente no son partículas, pero cuasipartículas (casi que significa "casi" en latín). Están formados por la atracción electrostática entre excitados, electrones cargados negativamente, y agujeros cargados positivamente. Los agujeros son espacios que dejan los electrones excitados y son en sí mismos un tipo de cuasipartícula. Crédito:OIST
En una primicia mundial investigadores de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) han capturado una imagen que muestra las órbitas internas, o distribución espacial, de partículas en un excitón, un objetivo que había eludido a los científicos durante casi un siglo. Sus hallazgos se publican en Avances de la ciencia .
Los excitones son estados excitados de la materia que se encuentran dentro de los semiconductores, una clase de materiales que son clave para muchos dispositivos tecnológicos modernos. como las células solares, LEDs, láseres y teléfonos inteligentes.
"Los excitones son partículas realmente únicas e interesantes; son eléctricamente neutrales, lo que significa que se comportan de manera muy diferente dentro de los materiales de otras partículas como los electrones. Su presencia realmente puede cambiar la forma en que un material responde a la luz, "dijo el Dr. Michael Man, co-primer autor y científico de planta de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos de la OIST. "Este trabajo nos acerca a comprender completamente la naturaleza de los excitones".
Los excitones se forman cuando los semiconductores absorben fotones de luz, lo que hace que los electrones cargados negativamente salten de un nivel de energía más bajo a un nivel de energía más alto. Esto deja espacios vacíos cargados positivamente, llamados agujeros, en el nivel de energía más bajo. Los electrones y los huecos con carga opuesta se atraen y comienzan a orbitarse entre sí, que crea los excitones.
Los excitones son de vital importancia dentro de los semiconductores, pero hasta ahora, los científicos solo han podido detectarlos y medirlos de manera limitada. Un problema radica en su fragilidad:se necesita relativamente poca energía para romper el excitón en electrones y huecos libres. Es más, son de naturaleza fugaz, en algunos materiales, los excitones se extinguen en unas milésimas de mil millonésimas de segundo después de su formación, cuando los electrones excitados "caen" de nuevo en los agujeros.
El instrumento utiliza un pulso de luz de bombeo inicial para excitar electrones y generar excitones. Esto es seguido rápidamente por un segundo pulso de luz que utilizó fotones ultravioleta extremos para expulsar los electrones dentro de los excitones del material y colocarlos en el vacío de un microscopio electrónico. Luego, el microscopio electrónico mide la energía y el ángulo en el que los electrones dejaron el material para determinar el momento del electrón alrededor del agujero dentro del excitón. Crédito:OIST
"Los científicos descubrieron los excitones por primera vez hace unos 90 años, "dijo el profesor Keshav Dani, autor principal y jefe de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos en OIST. "Pero hasta hace muy poco, generalmente se puede acceder solo a las firmas ópticas de los excitones, por ejemplo, la luz emitida por un excitón cuando se apaga. Otros aspectos de su naturaleza, como su impulso, y cómo el electrón y el agujero se orbitan entre sí, sólo podría describirse teóricamente ".
Sin embargo, en diciembre de 2020, Los científicos de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos de la OIST publicaron un artículo en Ciencias describiendo una técnica revolucionaria para medir el impulso de los electrones dentro de los excitones.
Ahora, reportando en Avances de la ciencia , el equipo utilizó la técnica para capturar la primera imagen que muestra la distribución de un electrón alrededor del agujero dentro de un excitón.
Los investigadores primero generaron excitones enviando un pulso de luz láser a un semiconductor bidimensional, una clase de materiales recientemente descubierta que tiene solo unos pocos átomos de espesor y alberga excitones más robustos.
Después de que se formaron los excitones, El equipo usó un rayo láser con fotones de energía ultra alta para romper los excitones y expulsar los electrones del material. en el espacio de vacío dentro de un microscopio electrónico.
En la física de lo muy pequeño, Se aplican extraños conceptos cuánticos. Los electrones actúan como partículas y como ondas y, por lo tanto, es imposible conocer la posición y el momento de un electrón al mismo tiempo. En lugar de, La nube de probabilidad de un excitón muestra dónde es más probable que se encuentre el electrón alrededor del agujero. El equipo de investigación generó una imagen de la nube de probabilidad del excitón midiendo la función de onda. Crédito:OIST
El microscopio electrónico midió el ángulo y la energía de los electrones cuando salieron volando del material. A partir de esta información, los científicos pudieron determinar el momento inicial del electrón cuando estaba unido a un agujero dentro del excitón.
"La técnica tiene algunas similitudes con los experimentos de colisionador de la física de alta energía, donde las partículas se rompen juntas con cantidades intensas de energía, rompiéndolos. Midiendo las trayectorias de las partículas internas más pequeñas producidas en la colisión, los científicos pueden comenzar a reconstruir la estructura interna de las partículas intactas originales, "dijo el profesor Dani." Aquí, estamos haciendo algo similar:estamos usando fotones de luz ultravioleta extrema para separar los excitones y medir las trayectorias de los electrones para imaginar lo que hay dentro ".
"Esta no fue una hazaña fácil, "continuó el profesor Dani." Las mediciones tenían que hacerse con sumo cuidado, a baja temperatura y baja intensidad para evitar calentar los excitones. Se necesitaron unos días para adquirir una sola imagen ".
Por último, el equipo logró medir la función de onda del excitón, lo que da la probabilidad de dónde es probable que se ubique el electrón alrededor del agujero.
"Este trabajo es un avance importante en el campo, "dijo el Dr. Julien Madeo, co-primer autor y científico de planta de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos de la OIST. "Ser capaces de visualizar las órbitas internas de las partículas a medida que forman partículas compuestas más grandes podría permitirnos comprender, medir y finalmente controlar las partículas compuestas de formas sin precedentes. Esto podría permitirnos crear nuevos estados cuánticos de materia y tecnología basados en estos conceptos ".
