科學(xué)家們首次成功為激子——一種準粒子——內的電子軌道進(jìn)行了成像。這一結果使他們最終能夠測量準粒子內電子動(dòng)量空間分布的激子波函數。

自20世紀30年代發(fā)現激子以來(lái)，人們一直在追求這一成就，雖然聽(tīng)起來(lái)很抽象，但它有助于推動(dòng)各種技術(shù)的發(fā)展，包括量子應用。

"激子是非常獨特和有趣的粒子；它們是電中性的，這意味著(zhù)它們在材料中的行為與電子等其他粒子非常不同。它們的存在可以真正改變材料對光的反應方式，"日本沖繩科學(xué)技術(shù)研究所(OIST)飛秒光譜組的物理學(xué)家Michael Man說(shuō)。

"這項工作使我們更接近完全理解激子性質(zhì)的目標。"

激子不是真正的粒子，而是一種準粒子。當粒子的集體行為導致它們以類(lèi)似粒子的方式行動(dòng)時(shí)，就會(huì )出現這種現象。激子出現在半導體中，這些材料的導電性比絕緣體強，但還不足以算作導體。

半導體在電子產(chǎn)品中很有用，因為它們允許對電子的流動(dòng)進(jìn)行更精細的控制。雖然難以觀(guān)察，但激子在這些材料中發(fā)揮著(zhù)重要作用。

當半導體吸收了一個(gè)將帶負電的電子提升到更高能級的光子時(shí)，就會(huì )形成激子；也就是說(shuō)，光子 "激發(fā)" 了電子，從而留下一個(gè)帶正電的空隙，被稱(chēng)為電子洞。負的電子和正的空穴在相互的軌道上結合在一起；激子就是這種軌道上的“電子-電子空穴”對。

但是激子的壽命非常短，而且非常脆弱，因為電子和空穴會(huì )在短短的幾分之一秒內重新結合在一起，所以看到它們并不是一件容易的事。

"科學(xué)家們第一次發(fā)現激子是在90年前，"OIST的飛秒光譜組的物理學(xué)家Keshav Dani說(shuō)，"但直到最近，人們通常只能獲得激子的光學(xué)特征——例如，激子湮滅時(shí)發(fā)出的光。它們性質(zhì)的其他方面，如它們的動(dòng)量，以及電子和空穴如何相互運作，只能從理論上進(jìn)行描述。"

這是研究人員一直在努力解決的問(wèn)題。去年12月，他們找到了一種直接觀(guān)察電子動(dòng)量的方法?，F在，他們成功使用了這種方法。

新技術(shù)使用二硒化鎢的二維半導體材料，把它安置在真空室里，然后冷卻并保持在90開(kāi)爾文。

用激光脈沖在這種材料中產(chǎn)生激子；然后再用第二道超高能激光把電子完全打飛，進(jìn)入真空室，由電子顯微鏡監測。

儀器可以測量電子的速度和軌跡，然后這些信息被用于計算粒子脫離激子系統的初始軌道。

盡管這是一項精細、耗時(shí)的工作，但研究小組最終能夠測量出激子的波函數。

經(jīng)過(guò)調整，該團隊的研究是激子研究領(lǐng)域里巨大飛躍。它可以被用來(lái)測量不同激子狀態(tài)和配置的波函數，并探測不同半導體材料和系統的激子物理過(guò)程。

"這項工作是該領(lǐng)域的一個(gè)重要進(jìn)展，"OIST飛秒光譜組的物理學(xué)家Julien Madeo說(shuō)。

"能夠在粒子形成更大的復合粒子時(shí)將其內部軌道可視化，可以讓我們以前所未有的方式了解、測量并最終控制復合粒子。這可以讓我們在這些概念的基礎上創(chuàng )造新的物質(zhì)量子態(tài)和技術(shù)。"

該團隊的研究已經(jīng)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

https://www.sciencealert.com/scientists-have-captured-the-first-ever-image-of-an-electron-s-orbit-in-an-exciton