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Un siglo después de ser descubiertos, los humanos capturaron por primera vez la imagen orbital electrónica de los excitones

2021-09-16
Una tecnología revolucionaria permite a los científicos observar el interior de partículas instantáneas llamadas excitones (Exciton) a corta distancia de una forma sin precedentes. Los excitones describen el estado de unión de un par de electrones y huecos que se atraen entre sí por la interacción electrostática de Coulomb. Pueden considerarse cuasipartículas eléctricamente neutras que existen en aisladores, semiconductores y algunos líquidos. Son física de la materia condensada. La unidad básica que transfiere energía sin transferir carga.

Investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) midieron la distribución del momento de los fotoelectrones emitidos por los excitones en una sola capa de diseleniuro de tungsteno y capturaron imágenes que mostraban las órbitas internas o la distribución espacial de las partículas en los excitones: esto es esto. un objetivo que los científicos no han podido alcanzar desde que se descubrió el excitón hace casi un siglo.

Los excitones son el estado excitado de la materia que se encuentra en los semiconductores; este tipo de material es la clave de muchos dispositivos tecnológicos modernos, como las células solares, los LED, los láseres y los teléfonos inteligentes.

"Los excitones son partículas únicas e interesantes; son eléctricamente neutras, lo que significa que se comportan en los materiales de manera muy diferente a otras partículas, como los electrones. Su presencia realmente puede cambiar la forma en que los materiales reaccionan a la luz", dijo el Dr. Michael Man. el primer autor y científico del Grupo de Espectroscopía de Femtosegundo de OIST. "Este trabajo nos acerca a la comprensión completa de la naturaleza de los excitones".

Los excitones se forman cuando un semiconductor absorbe fotones, lo que hace que los electrones cargados negativamente salten de un nivel de energía bajo a un nivel de energía alto. Esto deja vacantes cargadas positivamente en niveles de energía más bajos, llamados agujeros. Los electrones con carga opuesta y los huecos se atraen entre sí y comienzan a orbitar entre sí, lo que crea excitones.

Los excitones son vitales en los semiconductores, pero hasta ahora, los científicos solo pueden detectarlos y medirlos de forma limitada. Un problema radica en su fragilidad: se necesita relativamente poca energía para descomponer los excitones en electrones libres y huecos. Además, son de naturaleza fugaz: en algunos materiales, los excitones se extinguen en unas pocas milésimas de tiempo después de que se forman, momento en el que los electrones excitados "caerán" de nuevo en el agujero.

"Los científicos descubrieron por primera vez los excitones hace unos 90 años", dijo el profesor Keshav Dani, autor principal y jefe del grupo de espectroscopia de femtosegundos de OIST. "Pero hasta hace poco, las personas generalmente solo obtenían las características ópticas de los excitones, por ejemplo, la luz emitida cuando desaparecen los excitones. Otros aspectos de sus propiedades, como su momento y cómo los electrones y los huecos funcionan entre sí, solo pueden ser derivado de Describir teóricamente".

Sin embargo, en diciembre de 2020, los científicos del Grupo de espectroscopia de femtosegundos de la OIST publicaron un artículo en la revista Science que describe una técnica revolucionaria para medir el impulso de los electrones en los excitones. Ahora, en la edición del 21 de abril de "Science Advances", el equipo usó esta tecnología para capturar por primera vez imágenes que muestran la distribución de electrones alrededor de los agujeros en los excitones.

Los investigadores primero generaron excitones enviando pulsos de láser a un semiconductor bidimensional, un tipo de material descubierto recientemente que tiene solo unos pocos átomos de espesor y contiene excitones más potentes. Después de que se forman los excitones, el equipo de investigación usó un rayo láser con fotones de ultra alta energía para descomponer los excitones y sacar los electrones directamente del material al espacio de vacío en el microscopio electrónico. El microscopio electrónico mide el ángulo y la energía de los electrones a medida que salen volando del material. A partir de esta información, los científicos pueden determinar el momento inicial cuando los electrones se combinan con los huecos de los excitones.

"Esta tecnología tiene algunas similitudes con el experimento del colisionador en la física de alta energía. En el colisionador, las partículas son aplastadas por una fuerte energía, rompiéndolas. Al medir las partículas internas más pequeñas producidas en la trayectoria de la colisión, los científicos pueden comenzar a reconstruir juntos la estructura interna de la partícula completa original", dijo el profesor Dani. "Aquí, estamos haciendo algo similar: estamos usando fotones de luz ultravioleta extrema para romper los excitones y midiendo las trayectorias de los electrones para describir lo que hay dentro".

"Esto no es una hazaña simple", continuó el profesor Dani. "La medición debe hacerse con mucho cuidado, a baja temperatura y baja intensidad para evitar calentar los excitones. Tomó algunos días adquirir una imagen. Al final, el equipo midió con éxito la función de onda de los excitones, y dio la probabilidad de que el electrón se encuentre alrededor del hueco.

"Este trabajo es un avance importante en este campo", dijo el Dr. Julien Madeo, primer autor del estudio y científico del Grupo de espectroscopia de femtosegundos de OIST. "La capacidad de ver visualmente las órbitas internas de las partículas, porque forman partículas compuestas más grandes, lo que nos permite comprender, medir y, en última instancia, controlar las partículas compuestas de una manera sin precedentes. Esto nos permite crear otras nuevas basadas en estos conceptos. El cuántico estado de la materia y la tecnología".