Физикам впервые удалось «увидеть» экситон

Экситон

После нескольких десятилетий тщетных усилий, ученым-физикам, наконец, удалось увидеть эфемерное образование, квазичастицу, называемую экситоном. Полученное учеными изображение экситона позволяет определить истинное местоположение, которое занимает электрон в структуре этой квазчастицы, а это, в свою очередь, позволит ученым получить материю в совершенно новых состояниях вещества или использовать экситоны в новых квантовых технологиях.

Экситоны образуются в полупроводниках и некоторых диэлектрических материалах. Когда на поверхность такого материала падает фотон света, энергия этого фотона переводит один из электронов в более высокоэнергетическое, возбужденное, состояние. Возбужденный электрон покидает пределы своего атома, становясь свободным электроном, и оставляет на своем месте так называемую электронную дырку, имеющую положительный электрический заряд. В некоторых случаях электрон и дырка начинают вращаться друг вокруг друга и формируют экситон, который нейтрален с электрической точки зрения. Экситоны являются короткоживущими квазичастицами, практически моментально электрон «ныряет» обратно в дырку и экситон исчезает, излучая при этом фотон света.

До последнего времени ученые имели возможность наблюдать за экситонами лишь по вторичным эффектам, в частности, по излучаемым ими в момент аннигиляции фотонами света. А другие параметры этих квазичастиц, такие, как импульс, энергия, диаметры орбит электрона и дырки, оставались значениями, рассчитанными согласно имеющимся теориям.

Поскольку электроны обладают свойством дуализма, т.е. они могут быть описаны как частицы и как электромагнитные волны, их местоположение и импульс не могут быть определены одновременно с достаточной точностью. У экситона существует даже такой параметр, как «облако вероятности», которое описывает сферу, внутри которой электрон может вращаться вокруг дырки.

Волновая функция экситона

Для более подробного изучения экситонов ученые взяли очень тонкий, толщиной в несколько атомов, лист полупроводникового материала и сфокусировали на нем свет лазера. Когда на поверхности материала начали формироваться экситоны, ученые использовали еще один лазер, вырабатывающий более высокоэнергетические фотоны ультрафиолетового света. И когда такой фотон ударял в экситон, он, этот экситон, «разбивался», а свободный электрон с большой скоростью покидал место происшествия. В качестве детектора таких электронов ученые использовали датчик от обычного электронного микроскопа.

«Данная технология имеет нечто общее с высокоэнергетическими физическими экспериментами, когда в недрах коллайдера высокоэнергетические частицы разбиваются на более мелкие частицы, сталкиваясь с другими такими частицами» — пишут исследователи, — «Только в данном случае мы разбили экситоны при помощи фотонов ультрафиолетового света и фиксировали траектории разлетающихся электронов».

Путем анализа траектории и скорости электронов ученые вычислили их местоположение внутри экситона, форму и размер этой квазичастицы. Полученное изображение напоминает Солнце на фоне ясного безоблачного неба, но на самом деле мы видим напрямую облако вероятности экситона, место, где электрон вращается вокруг электронной дырки.

И в заключение следует отметить, что в незамысловатой картинке, представленной выше, содержится множество информации, которая позволит ученым узнать больше о квантовой физике и о происходящих в полупроводниковых материалах процессах. Сейчас, спустя почти столетие с момента первого открытия экситона в 1931 году, мы получили возможность увидеть то, что на самом деле представляет собой эта квазичастица. А для уточнения некоторых параметров экситона потребуется проведение дополнительных измерений при чрезвычайно низких температурах, и, возможно, экситон раскроет людям все свои тайны ближе к моменту столетия со дня его открытия.

Share Button

Материалы по теме:

Ученые CERN произвели первые высокоточные измерения массы W-бозона
Ученые, работающие в рамках эксперимента ATLAS на Большом Адронном Коллайдере, произвели первые в истории высокоточные измерения массы-энергии W-бозона. Этот бозон является одной из двух ...
Ученым удалось впервые получить стабильные атомы экзотического «пионного» гелия
Не так давно, после исследований, продолжавшихся почти восемь лет, группе ученых из института Квантовой оптики Макса Планка, Германия, впервые удалось получить стабильные и долгоживущие ...
Согласно новой теории темная материя и темная энергия могут быть проявлениями одной «темной жидкости», имеющей отрицательную массу.
Стандартная Модель физики элементарных частиц является наилучшим отражением нашего нынешнего понимания устройства и "работы" Вселенной. Однако, эта модель касается всего лишь пяти процентов от ...
Создан материал, практически не поддающийся резке, сверлению и другим видам механической обработки
Исследователи из Даремского университета, Великобритания, и института Фраунгофера, Германия, придумали и изготовили образцы первого в своем роде материала, который практически невозможно разрезать и просверлить ...
Ученые CERN ищут вход в «темный мир» при помощи антиматерии
Поиски таинственной темной материи, которой, согласно теории, во Вселенной в пять раз больше, чем обычной материи, пока еще не принесли положительных результатов, несмотря на ...
You can skip to the end and leave a response. Pinging is currently not allowed.

Leave a Reply

Яндекс.Метрика