物理学家第一次看清了“激子”

在对一种叫做激子的微小而短暂的物体的本质进行了近一个世纪的探索之后,研究人员终于成功地对其结构进行了成像,揭示了电子的真实位置。这些发现最终可能帮助物理学家创造新的物质状态或新的量子技术。

激子出现在半导体和绝缘体等其他材料中。当半导体吸收光子或光粒子时,它会导致电子跃迁到更高的能级,并在原来的位置留下带正电的空穴。电子和空穴相互环绕,形成一个激子——本质上是电子和空穴的整个区域。因为电子带负电荷,空穴带正电荷,所以激子本身是中性的。激子是短暂的,因为电子几乎总是突然回到它们的洞中。当电子落回内部时,它们发射出一个光子。

“科学家们大约在90年前首次发现了激子,”合著者Keshav Dani在一份大学新闻稿中说,他是冲绳科学技术学院飞秒光谱部门的负责人。但直到最近,人们通常只能获得激子的光学特征——例如,激子熄灭时发出的光。它们本质的其他方面,比如它们的动量,以及电子和空穴如何相互围绕,只能在理论上描述。”

因为电子同时扮演粒子和波的角色,它们的位置和动量不能同时被确定。一个激子的“概率云”——它所构成的影响范围——是电子可能位于空穴周围的最佳指示器。

研究人员试图绘制激子的波函数,这将直接定义结构的形状和大小。这项工作是在同一团队最近的研究之后进行的,他们描述了一种探测激子动量的方法。在今天发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的最新研究中,该团队用激光照射半导体,催化光子的吸收。半导体非常薄——只有几个原子厚的二维物质薄片。

当激子形成后,研究小组用高能光子将激子分解,爆炸电子。他们用电子显微镜绘制出电子的出射图。

丹尼说:“这项技术与高能物理的对撞机实验有一些相似之处,在对撞机实验中,粒子以巨大的能量被撞在一起,使它们断裂。”“在这里,我们正在做一些类似的事情——我们使用极端紫外光光子来分离激子,并测量电子的轨迹来描绘里面的东西。”

通过测量电子如何离开半导体,研究人员可以拼凑出激子的位置、形状和大小。这篇文章顶部的图像看起来有点像晴朗天空中的太阳,但它描绘的是激子的概率云;换句话说,就是电子最有可能围绕它留下的空穴飞来飞去的空间。

“这项工作是该领域的一个重要进展,”首席作者Julien Madeo在OIST的新闻稿中说,他是OIST飞秒光谱学单元的工作人员。“当粒子形成更大的复合粒子时,能够可视化粒子的内部轨道,可以让我们以前所未有的方式理解、测量并最终控制复合粒子。”这可以让我们在这些概念的基础上创造新的物质量子态和技术。” 蜂窝状背景上的靶心对你我来说是一个福音,对于那些渴望更多地了解量子物理在半导体领域发挥作用的科学家来说,这可能会在未来改进此类技术的设计。自1931年第一次预测激子以来,已经近一个世纪了,我们已经更接近于描述亚原子结构的实际表现。观测仍然必须在非常冷的状态下进行,尽管温度在几年前升高了。新描述的激振使我们对这些量子力学有了更全面的了解——到激子诞生一百周年时,肯定会有更多的发展展现出来

作者:是柚子呀,如若转载,请注明出处:https://eozlab.com/zirankexue/wuli/1282.html