Un siècle après leur découverte, les humains ont capturé pour la première fois l'image orbitale électronique des excitons

Des chercheurs de l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa (OIST) ont mesuré la distribution de l'impulsion des photoélectrons émis par les excitons dans une seule couche de diséléniure de tungstène et ont capturé des images montrant les orbites internes ou la distribution spatiale des particules dans les excitons. un objectif que les scientifiques n'ont pas pu atteindre depuis la découverte de l'exciton il y a près d'un siècle.

Les excitons sont l'état excité de la matière que l'on trouve dans les semi-conducteurs. Ce type de matériau est la clé de nombreux dispositifs technologiques modernes, tels que les cellules solaires, les LED, les lasers et les smartphones.

"Les excitons sont des particules très uniques et intéressantes ; ils sont électriquement neutres, ce qui signifie qu'ils se comportent dans les matériaux très différemment des autres particules telles que les électrons. Leur présence peut vraiment changer la façon dont les matériaux réagissent à la lumière", a déclaré le Dr Michael Man, le premier auteur et scientifique du groupe de spectroscopie femtoseconde de l'OIST. "Ce travail nous rapproche de la pleine compréhension de la nature des excitons."

Les excitons se forment lorsqu'un semi-conducteur absorbe des photons, ce qui fait passer des électrons chargés négativement d'un niveau d'énergie faible à un niveau d'énergie élevé. Cela laisse des lacunes chargées positivement à des niveaux d'énergie inférieurs, appelés trous. Les électrons et les trous chargés de manière opposée s'attirent et commencent à orbiter les uns contre les autres, ce qui crée des excitons.

Les excitons sont vitaux dans les semi-conducteurs, mais jusqu'à présent, les scientifiques ne peuvent les détecter et les mesurer que de manière limitée. Un problème réside dans leur fragilité - il faut relativement peu d'énergie pour décomposer les excitons en électrons libres et en trous. De plus, ils sont de nature éphémère - dans certains matériaux, les excitons s'éteindront quelques millièmes de temps après leur formation, moment auquel les électrons excités "retomberont" dans le trou.

"Les scientifiques ont découvert les excitons pour la première fois il y a environ 90 ans", a déclaré le professeur Keshav Dani, auteur principal et chef du groupe de spectroscopie femtoseconde de l'OIST. "Mais jusqu'à récemment, les gens n'avaient généralement que les caractéristiques optiques des excitons - par exemple, la lumière émise lorsque les excitons disparaissent. D'autres aspects de leurs propriétés, tels que leur impulsion et la façon dont les électrons et les trous fonctionnent les uns avec les autres, ne peuvent être dérivé de Décrire théoriquement."

Cependant, en décembre 2020, des scientifiques du groupe de spectroscopie femtoseconde de l'OIST ont publié un article dans la revue Science décrivant une technique révolutionnaire de mesure de la quantité de mouvement des électrons dans les excitons. Maintenant, dans le numéro du 21 avril de "Science Advances", l'équipe a utilisé cette technologie pour capturer pour la première fois des images montrant la distribution des électrons autour des trous dans les excitons.

Les chercheurs ont d'abord généré des excitons en envoyant des impulsions laser à un semi-conducteur bidimensionnel, un type de matériau découvert récemment qui n'a que quelques atomes d'épaisseur et contient des excitons plus puissants. Une fois les excitons formés, l'équipe de recherche a utilisé un faisceau laser avec des photons à ultra-haute énergie pour décomposer les excitons et expulser les électrons directement hors du matériau dans l'espace vide du microscope électronique. Le microscope électronique mesure l'angle et l'énergie des électrons lorsqu'ils sortent du matériau. À partir de ces informations, les scientifiques peuvent déterminer la quantité de mouvement initiale lorsque les électrons se combinent avec les trous dans les excitons.

"Cette technologie présente certaines similitudes avec l'expérience du collisionneur en physique des hautes énergies. Dans le collisionneur, les particules sont écrasées par une forte énergie, les brisant. En mesurant les particules internes plus petites produites dans la trajectoire de collision, les scientifiques peuvent commencer à reconstituer ensemble la structure interne de la particule complète d'origine », a déclaré le professeur Dani. "Ici, nous faisons quelque chose de similaire - nous utilisons des photons de lumière ultraviolette extrême pour briser les excitons et mesurer les trajectoires des électrons pour décrire ce qu'il y a à l'intérieur."

"Ce n'est pas un simple exploit", a poursuivi le professeur Dani. "La mesure doit être effectuée avec beaucoup de précautions - à basse température et à faible intensité pour éviter de chauffer les excitons. Il a fallu quelques jours pour acquérir une image. Au final, l'équipe a réussi à mesurer la fonction d'onde des excitons, et cela a donné probabilité que l'électron soit situé autour du trou.

"Ce travail est une avancée importante dans ce domaine", a déclaré le Dr Julien Madeo, premier auteur de l'étude et scientifique du groupe de spectroscopie femtoseconde de l'OIST. "La capacité de voir visuellement les orbites internes des particules, car elles forment des particules composites plus grandes, ce qui nous permet de comprendre, de mesurer et finalement de contrôler les particules composites d'une manière sans précédent. Cela nous permet d'en créer de nouvelles basées sur ces concepts. Le quantum l'état de la matière et de la technologie."