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majer @ 2021.04.23 , 12:33
科学家们首次成功为激子——一种准粒子——内的电子轨道进行了成像。这一结果使他们最终能够测量准粒子内电子动量空间分布的激子波函数。 自20世纪30年代发现激子以来，人们一直在追求这一成就，虽然听起来很抽象，但它有助于推动各种技术的发展，包括量子应用。 "激子是非常独特和有趣的粒子；它们是电中性的，这意味着它们在材料中的行为与电子等其他粒子非常不同。它们的存在可以真正改变材料对光的反应方式，"日本冲绳科学技术研究所(OIST)飞秒光谱组的物理学家Michael Man说。 "这项工作使我们更接近完全理解激子性质的目标。" 激子不是真正的粒子，而是一种准粒子。当粒子的集体行为导致它们以类似粒子的方式行动时，就会出现这种现象。激子出现在半导体中，这些材料的导电性比绝缘体强，但还不足以算作导体。 半导体在电子产品中很有用，因为它们允许对电子的流动进行更精细的控制。虽然难以观察，但激子在这些材料中发挥着重要作用。 当半导体吸收了一个将带负电的电子提升到更高能级的光子时，就会形成激子；也就是说，光子 "激发" 了电子，从而留下一个带正电的空隙，被称为电子洞。负的电子和正的空穴在相互的轨道上结合在一起；激子就是这种轨道上的“电子-电子空穴”对。 但是激子的寿命非常短，而且非常脆弱，因为电子和空穴会在短短的几分之一秒内重新结合在一起，所以看到它们并不是一件容易的事。 "科学家们第一次发现激子是在90年前，"OIST的飞秒光谱组的物理学家Keshav Dani说，"但直到最近，人们通常只能获得激子的光学特征——例如，激子湮灭时发出的光。它们性质的其他方面，如它们的动量，以及电子和空穴如何相互运作，只能从理论上进行描述。" 这是研究人员一直在努力解决的问题。去年12月，他们找到了一种直接观察电子动量的方法。现在，他们成功使用了这种方法。 新技术使用二硒化钨的二维半导体材料，把它安置在真空室里，然后冷却并保持在90开尔文。 用激光脉冲在这种材料中产生激子；然后再用第二道超高能激光把电子完全打飞，进入真空室，由电子显微镜监测。 仪器可以测量电子的速度和轨迹，然后这些信息被用于计算粒子脱离激子系统的初始轨道。 尽管这是一项精细、耗时的工作，但研究小组最终能够测量出激子的波函数。 经过调整，该团队的研究是激子研究领域里巨大飞跃。它可以被用来测量不同激子状态和配置的波函数，并探测不同半导体材料和系统的激子物理过程。 "这项工作是该领域的一个重要进展，"OIST飞秒光谱组的物理学家Julien Madeo说。 "能够在粒子形成更大的复合粒子时将其内部轨道可视化，可以让我们以前所未有的方式了解、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。" 该团队的研究已经发表在《科学进展》上。 https://www./scientists-have-captured-the-first-ever-image-of-an-electron-s-orbit-in-an-exciton |
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