Gli eccitoni non sono tecnicamente particelle, ma quasiparticelle (quasi- che significa "quasi" in latino). Sono formati dall'attrazione elettrostatica tra eccitato, elettroni carichi negativamente, e fori caricati positivamente. I buchi sono spazi lasciati dagli elettroni eccitati e sono essi stessi un tipo di quasiparticella. Credito:OIST
In una prima mondiale, i ricercatori dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hanno catturato un'immagine che mostra le orbite interne, o distribuzione spaziale, di particelle in un eccitone, un obiettivo che era sfuggito agli scienziati per quasi un secolo. I loro risultati sono pubblicati in Progressi scientifici .
Gli eccitoni sono stati eccitati della materia che si trovano all'interno dei semiconduttori, una classe di materiali che sono fondamentali per molti dispositivi tecnologici moderni, come le celle solari, LED, laser e smartphone.
"Gli eccitoni sono particelle davvero uniche e interessanti; sono elettricamente neutre, il che significa che si comportano in modo molto diverso all'interno dei materiali da altre particelle come gli elettroni. La loro presenza può davvero cambiare il modo in cui un materiale risponde alla luce, " ha detto il dottor Michael Man, co-primo autore e scienziato del personale nell'unità di spettroscopia a femtosecondi dell'OIST. "Questo lavoro ci avvicina alla comprensione completa della natura degli eccitoni".
Gli eccitoni si formano quando i semiconduttori assorbono fotoni di luce, che fa sì che gli elettroni carichi negativamente saltino da un livello energetico inferiore a un livello energetico superiore. Questo lascia spazi vuoti caricati positivamente, chiamati buchi, nel livello energetico inferiore. Gli elettroni e le lacune di carica opposta si attraggono e iniziano a orbitare l'uno verso l'altro, che crea gli eccitoni.
Gli eccitoni sono di importanza cruciale all'interno dei semiconduttori, ma così lontano, gli scienziati sono stati in grado di rilevarli e misurarli solo in modi limitati. Un problema risiede nella loro fragilità:ci vuole relativamente poca energia per rompere l'eccitone in elettroni e lacune liberi. Per di più, sono di natura fugace, in alcuni materiali, gli eccitoni si estinguono in circa pochi millesimi di miliardesimo di secondo dopo la loro formazione, quando gli elettroni eccitati "ricadono" nei fori.
Lo strumento utilizza un impulso di pompa iniziale di luce per eccitare gli elettroni e generare eccitoni. Questo è rapidamente seguito da un secondo impulso di luce che utilizzava fotoni ultravioletti estremi per spingere gli elettroni all'interno degli eccitoni fuori dal materiale e nel vuoto di un microscopio elettronico. Il microscopio elettronico misura quindi l'energia e l'angolo che gli elettroni hanno lasciato al materiale per determinare il momento dell'elettrone attorno al foro all'interno dell'eccitone. Credito:OIST
"Gli scienziati hanno scoperto per la prima volta gli eccitoni circa 90 anni fa, " ha detto il professor Keshav Dani, autore senior e capo dell'unità di spettroscopia a femtosecondi presso l'OIST. "Ma fino a poco tempo fa, si potrebbe generalmente accedere solo alle firme ottiche degli eccitoni, ad esempio, la luce emessa da un eccitone quando spento. Altri aspetti della loro natura, come il loro slancio, e come l'elettrone e il buco orbitano l'uno intorno all'altro, potrebbe essere descritto solo teoricamente."
Però, a dicembre 2020, scienziati dell'OIST Femtosecond Spectroscopy Unit hanno pubblicato un articolo in Scienza descrivendo una tecnica rivoluzionaria per misurare la quantità di moto degli elettroni all'interno degli eccitoni.
Ora, informare Progressi scientifici , il team ha utilizzato la tecnica per catturare la prima immagine in assoluto che mostra la distribuzione di un elettrone attorno al foro all'interno di un eccitone.
I ricercatori hanno prima generato eccitoni inviando un impulso laser di luce a un semiconduttore bidimensionale, una classe di materiali scoperta di recente che hanno solo pochi atomi di spessore e ospitano eccitoni più robusti.
Dopo la formazione degli eccitoni, il team ha utilizzato un raggio laser con fotoni ad altissima energia per rompere gli eccitoni e far uscire gli elettroni dal materiale, nello spazio vuoto all'interno di un microscopio elettronico.
Nella fisica del piccolissimo, si applicano strani concetti quantistici. Gli elettroni agiscono sia come particelle che come onde ed è quindi impossibile conoscere contemporaneamente sia la posizione che la quantità di moto di un elettrone. Anziché, la nuvola di probabilità di un eccitone mostra dove è più probabile che l'elettrone si trovi intorno al foro. Il team di ricerca ha generato un'immagine della nuvola di probabilità dell'eccitone misurando la funzione d'onda. Credito:OIST
Il microscopio elettronico ha misurato l'angolo e l'energia degli elettroni mentre volavano fuori dal materiale. Da queste informazioni, gli scienziati sono stati in grado di determinare il momento iniziale dell'elettrone quando era legato a un buco all'interno dell'eccitone.
"La tecnica ha alcune somiglianze con gli esperimenti di collisione della fisica delle alte energie, dove le particelle vengono frantumate insieme con intense quantità di energia, rompendoli. Misurando le traiettorie delle particelle interne più piccole prodotte nella collisione, gli scienziati possono iniziare a mettere insieme la struttura interna delle particelle intatte originali, " disse il professor Dani. "Ecco, stiamo facendo qualcosa di simile:stiamo usando fotoni di luce ultravioletta estrema per rompere gli eccitoni e misurare le traiettorie degli elettroni per immaginare cosa c'è dentro".
"Non è stata un'impresa da poco, " ha continuato il professor Dani. "Le misurazioni dovevano essere eseguite con estrema cura, a bassa temperatura e bassa intensità per evitare di riscaldare gli eccitoni. Ci sono voluti alcuni giorni per acquisire una singola immagine".
In definitiva, il team è riuscito a misurare la funzione d'onda dell'eccitone, che fornisce la probabilità di dove è probabile che l'elettrone si trovi attorno al foro.
"Questo lavoro è un importante progresso nel campo, " ha detto il dottor Julien Madeo, co-primo autore e scienziato del personale nell'unità di spettroscopia a femtosecondi dell'OIST. "Essere in grado di visualizzare le orbite interne delle particelle mentre formano particelle composite più grandi potrebbe permetterci di capire, misurare e infine controllare le particelle composite in modi senza precedenti. Questo potrebbe consentirci di creare nuovi stati quantistici della materia e della tecnologia basati su questi concetti".
