Фізикам вперше вдалося “побачити” екситон

Після кількох десятиліть марних зусиль, вченим-фізикам, нарешті, вдалося побачити ефемерне частинку, квазічастинку, яка називається екситоном. Отримане вченими зображення екситона дозволяє визначити справжнє місце розташування, яке займає електрон в структурі цієї квазічастинки, а це, в свою чергу, дозволить вченим отримати матерію в абсолютно нових станах речовини або використовувати екситон в нових квантових технологіях.

Екситони утворюються в напівпровідниках і деяких діелектричних матеріалах. Коли на поверхню такого матеріалу падає фотон світла, енергія цього фотона переводить один з електронів в більш високоенергетичний стан. Збуджений електрон залишає межі свого атома, стаючи вільним електроном, і залишає на своєму місці так звану електронну дірку, що має позитивний електричний заряд. У деяких випадках електрон і дірка починають обертатися навколо одна одної і формують екситон, який нейтральний з електричної точки зору. Екситони є короткоживущими квазічастинками, практично моментально електрон “пірнає” назад в дірку і екситон зникає, випромінюючи при цьому фотон світла.

До останнього часу вчені мали можливість спостерігати за екситонами лише по вторинним ефектам, зокрема, по випромінюваним ними в момент анігіляції фотонами світла. А інші параметри цих квазічастинок, такі, як імпульс, енергія, діаметри орбіт електрона і дірки, залишалися значеннями, розрахованими згідно з наявними теоріями.

Оскільки електрони мають властивість дуалізму, тобто вони можуть бути описані як частки і як електромагнітні хвилі, їх місце розташування та імпульс не можуть бути визначені одночасно з достатньою точністю. У екситона існує навіть такий параметр, як “хмара ймовірності”, який описує сферу, всередині якої електрон може обертатися навколо дірки.

Для більш детального вивчення екситонів вчені взяли дуже тонкий, товщиною в кілька атомів, лист напівпровідникового матеріалу і сфокусували на ньому світло лазера. Коли на поверхні матеріалу почали формуватися екситон, вчені використовували ще один лазер, що виробляє більш високоенергетичні фотони ультрафіолетового світла. І коли такий фотон бив в екситон, він, цей екситон, “розбивався”, а вільний електрон з великою швидкістю залишав місце події. В якості детектора таких електронів вчені використовували датчик від звичайного електронного мікроскопа.

“Дана технологія має щось спільне з високоенергетичними фізичними експериментами, коли в надрах колайдера високоенергетичні частинки розбиваються на більш дрібні частинки, стикаючись з іншими такими частками” – пишуть дослідники, – “Тільки в даному випадку ми розбили екситон за допомогою фотонів ультрафіолетового світла і фіксували траєкторії електронів “.

Шляхом аналізу траєкторії і швидкості електронів вчені вирахували їх розташування всередині екситона, форму і розмір цієї квазічастинки. Отримане зображення нагадує Сонце на тлі ясного безхмарного неба, але насправді ми бачимо безпосередньо хмару ймовірності екситона, місце, де електрон обертається навколо електронної дірки.

І на закінчення слід зазначити, що в нехитрому зображенні, представленому вище, міститься безліч інформації, яка дозволить вченим дізнатися більше про квантову фізику і що відбуваються в напівпровідникових матеріалах. Зараз, через майже століття з моменту першого відкриття екситона в 1931 році, ми отримали можливість побачити те, що насправді являє собою ця квазічастинка. А для уточнення деяких параметрів екситона буде потрібно проведення додаткових вимірювань при надзвичайно низьких температурах, і, можливо, екситон розкриє людям всі свої таємниці ближче до моменту сторіччя з дня його відкриття.