発見されてから1世紀後、人間は初めて励起子の電子軌道画像を捉えました

沖縄科学技術研究所（OIST）の研究者は、二セレン化タングステンの単層で励起子から放出される光電子の運動量分布を測定し、励起子の粒子の内部軌道または空間分布を示す画像をキャプチャしました。これがこれです。約1世紀前に興奮が発見されて以来、科学者が達成できなかった目標。

励起子は、半導体に見られる励起状態の物質です。このタイプの材料は、太陽電池、LED、レーザー、スマートフォンなど、多くの最新の技術デバイスの鍵となります。

「励起子は非常にユニークで興味深い粒子です。電気的に中性です。つまり、励起子は電子などの他の粒子とは非常に異なる材料で動作します。励起子の存在は、材料が光に反応する方法を大きく変える可能性があります」と、マイケルマン博士は述べています。 OISTのフェムト秒分光法グループの最初の著者および科学者。 「この研究により、励起子の性質を完全に理解することができます。」

半導体が光子を吸収すると励起子が形成され、負に帯電した電子が低エネルギーレベルから高エネルギーレベルにジャンプします。これにより、ホールと呼ばれる、より低いエネルギーレベルで正に帯電した空孔が残ります。反対に帯電した電子と正孔は互いに引き付け合い、それらは互いに軌道を描き始め、励起子を生成します。

励起子は半導体に不可欠ですが、これまでのところ、科学者は限られた方法でしか励起子を検出および測定できません。 1つの問題は、その脆弱性にあります。励起子を自由電子と正孔に分解するのに必要なエネルギーは比較的少ないのです。さらに、それらは本質的に一瞬です-いくつかの材料では、励起子はそれらが形成されてから数千分の1の時間内に消滅し、その時点で励起された電子は穴に「落下」します。

「科学者は約90年前に最初に励起子を発見しました」と、OISTのフェムト秒分光法グループの上級著者であり責任者であるケシャフ・ダニ教授は述べています。 「しかし最近まで、人々は通常、励起子の光学的特性しか得られませんでした。たとえば、励起子が消えたときに放出される光です。運動量や電子と正孔の相互作用など、特性の他の側面は、理論的に説明するから派生しました。」

しかし、2020年12月、OISTフェムト秒分光グループの科学者は、励起子の電子の運動量を測定するための革新的な手法を説明する論文をサイエンス誌に発表しました。さて、「サイエンス・アドバンシス」の4月21日号で、チームはこの技術を使用して、励起子の正孔の周りの電子の分布を示す画像を初めてキャプチャしました。

研究者たちは、レーザーパルスを2次元半導体に送ることによって最初に励起子を生成しました。これは、最近発見された、わずか数原子の厚さで、より強力な励起子を含む材料の一種です。励起子が形成された後、研究チームは超高エネルギー光子を備えたレーザービームを使用して励起子を分解し、電子を材料から直接電子顕微鏡の真空空間に蹴り出しました。電子顕微鏡は、電子が材料から飛び出すときに電子の角度とエネルギーを測定します。この情報から、科学者は電子が励起子の正孔と結合するときの初期運動量を決定できます。

「この技術は、高エネルギー物理学での衝突型加速器の実験といくつかの類似点があります。衝突型加速器では、粒子は強力なエネルギーによって粉砕され、分解されます。衝突軌道で生成された小さな内部粒子を測定することで、科学者は断片化を開始できます。元の完全な粒子の内部構造を一緒に」とダニ教授は言った。 「ここでは、同様のことを行っています。極紫外線光子を使用して励起子を分解し、電子の軌道を測定して内部にあるものを記述しています。」

「これは単純な偉業ではない」とダニ教授は続けた。 「測定は非常に注意深く行う必要があります。励起子の加熱を避けるために、低温と低強度で。画像を取得するのに数日かかりました。最終的に、チームは励起子の波動関数の測定に成功し、電子が正孔の周りにある可能性。

「この研究は、この分野における重要な進歩です」と、この研究の筆頭著者であり、OISTのフェムト秒分光法グループの科学者であるジュリアンマデオ博士は述べています。 「粒子がより大きな複合粒子を形成するため、粒子の内部軌道を視覚的に確認できるため、これまでにない方法で複合粒子を理解、測定、最終的に制御できます。これにより、これらの概念に基づいて新しい粒子を作成できます。量子物質と技術の状態。」