Японские физики впервые наблюдали темные экситоны

© 2022 Copyright. All Rights Reserved Фото : OISTОдин из авторов исследования Жюльен Мадео в лаборатории фемтосекундной спектроскопии OIST

© 2022 Copyright. All Rights Reserved Фото : OIST

Один из авторов исследования Жюльен Мадео в лаборатории фемтосекундной спектроскопии OIST

Японские ученые разработали метод визуализации ранее недоступных для наблюдения частиц — темных экситонов. По мнению авторов, это может произвести революцию в исследованиях двумерных полупроводников, необходимых для будущих высокотехнологичных устройств — от солнечных батарей и светодиодов до смартфонов и лазеров. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Экситоны — это квазичастицы, представляющие собой возбужденное состояния вещества в полупроводниках — ключевых ингредиентах многих современных технологий. Они образуются, когда электроны возбуждаются светом до более высокого энергетического состояния, оставляя после себя дырку на том энергетическом уровне, где ранее находился электрон.

«Дырки — это отсутствие электрона, и поэтому они несут заряд, противоположный электрону. Противоположные заряды притягиваются, и электроны и дырки, связываясь вместе, образуя экситоны, которые затем могут перемещаться по материалу», — приводятся в пресс-релизе Окинавского института науки и технологий слова первого автора исследования профессора Кешав Дани (Keshav Dani), возглавляющего отдел фемтосекундной спектроскопии.

В объемных полупроводниках экситоны гаснут менее чем за несколько миллиардных долей секунды после образования. Более того, они могут быть «хрупкими», что затрудняет их изучение и управление. Но около десяти лет назад ученые открыли двумерные полупроводники, в которых экситоны более устойчивы.

«Стабильные экситоны придают этим материалам действительно уникальные свойства, поэтому во всем мире было проведено множество исследований, направленных на создание новых оптоэлектронных устройств на основе экситонов, — говорит еще один автор исследования, сотрудник отдела фемтосекундной спектроскопии доктор Жюльен Мадео (Julien Madéo). — Но на данный момент существует серьезное ограничение стандартной экспериментальной техники, используемой для измерения экситонов».

Ученым давно известно, что только один тип экситонов, называемый яркими экситонами, может взаимодействовать со светом. Но существуют и другие, так называемые темные экситоны, которые до сих пор не удавалось увидеть.

В темных экситонах электроны имеют импульс, отличный от импульса электронов в ярких экситонах и от момента движения дырок, с которыми они связаны, что не позволяет им поглощать свет.

«Мы знали, что они существуют, но мы не могли напрямую их видеть, исследовать их, и поэтому мы не знали, насколько они влияют на оптоэлектронные свойства материала», — объясняет доктор Мадео.

Чтобы визуализировать темные экситоны, ученые модифицировали мощную технику, которая ранее в основном использовалась для изучения одиночных несвязанных электронов.

«Было непонятно, как этот метод будет работать с экситонами, которые представляют собой составные частицы. В научном сообществе была большая теоретическая дискуссия, обсуждающая обоснованность этого подхода», — рассказывает профессор Дани.

Авторы предположили, что если пучок света, содержащий фотоны с достаточно высокой энергией, использовать для удара по экситонам в полупроводниковом материале, энергия фотонов разрушит экситоны и выбьет электроны из материала. Измеряя направление, в котором электроны вылетают из материала, можно будет определить начальный импульс электронов, когда они были частью экситонов. Таким образом, ученые смогут не только видеть, но и отличать яркие экситоны от темных.

Внедрение нового метода потребовало решения огромных технических проблем. Ученым нужно было создать световые импульсы с высокоэнергетическими ультрафиолетовыми фотонами, способными расщеплять экситоны и выталкивать электроны из материала.

При этом сам прибор должен был иметь возможность измерять энергию и угол движения этих электронов. Кроме того, поскольку экситоны крайне недолговечны, прибор должен был работать в масштабе времени менее тысячи миллиардных долей секунды. Наконец, прибору также требовалось достаточно высокое пространственное разрешение для измерения двумерных полупроводниковых образцов, которые обычно доступны только в микронном масштабе.

«Когда мы решили все технические проблемы, включили прибор, и на нашем экране были экситоны — это было действительно потрясающе», — отмечает доктор Мишель Ман (Michael Man), также принимавшая участие в исследовании.

К своему удивлению, ученые обнаружили, что темные экситоны преобладают в материале, превосходя по численности яркие экситоны, а также то, что при определенных условиях, когда возбужденные электроны рассеиваются по материалу и меняют импульс, экситоны могут переключаться между яркими и темными.