Εικόνα ενός ηλεκτρονίου μέσα σε μια έξοδο

Τα εξιτόνια είναι ημι-σωματίδια παρόμοια με τις διεγερμένες καταστάσεις της ύλης. Είναι κατασκευασμένα από υλικά ημιαγωγών και χρησιμοποιούνται σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές όπως ηλιακούς συλλέκτες ή smartphone. Για πρώτη φορά στον κόσμο, οι επιστήμονες στο Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Οκινάουα (OIST) κατάφεραν να υπολογίσουν τη ροπή των ηλεκτρονίων, μια παράμετρο που σηματοδοτεί την περιστροφή τους μέσα σε αυτές τις διεγερμένες καταστάσεις και τα μετατρέπει σε εικόνες. Τα αποτελέσματα της μελέτης τους δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Επιστημονική πρόοδος 21 Απριλίου 2021.

Εντός ημιαγωγών

Οι αγωγοί ή οι αγωγοί, οι ημιαγωγοί δεν είναι αντικείμενα με συγκεκριμένη λειτουργία στο υποατομικό επίπεδο: σε έναν αγωγό, τα ηλεκτρόνια των ατόμων είναι ελεύθερα να ταξιδεύουν σε όλο το υλικό, παράγοντας έτσι ηλεκτρισμό. Σε έναν μονωτή, είναι το αντίθετο, παγιδεύονται μέσα στο άτομο τους. Σε έναν ημιαγωγό, αυτό είναι μισόκαρδο: ακόμη και με μονωτική αλλά χαμηλή ενεργειακή είσοδο κατά τη διάρκεια «κανονικών» περιόδων, μερικά ηλεκτρόνια απελευθερώνονται σε κάποιο βαθμό και στη συνέχεια μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρισμό.

Φωτίζοντας ένα αντικείμενο ημιαγωγού, τα φωτόνια, σωματίδια που παράγουν φως, απορροφώνται από ηλεκτρόνια, τα οποία στη συνέχεια αυξάνουν την ενέργειά τους, μεταβαίνοντας από ένα χαμηλό (σταθερό) επίπεδο σε μια υψηλή (διεγερμένη) κατάσταση. Αυτή η ενεργειακή είσοδος θα τους επιτρέψει να ελευθερωθούν κάπως από τη λαβή του αρχικού τους ατόμου, γεγονός που αφήνει ένα αρνητικό έλλειμμα φορτίου γνωστό ως «τρύπα».

“Μισά σωματίδια”

Ανακαλύφθηκε το 1931, αλλά δεν έχει βρεθεί ακόμη άμεσα, ο όρος “exodon” αναφέρεται σε ένα ζεύγος οπών ηλεκτρονίων, στην περίπτωση των ημιαγωγών, μια συναρπαστική ουσία. Το ζεύγος αποτελείται από δύο “σωματίδια”: ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο και μια θετικά φορτισμένη οπή, η οποία μιλά πολύ έντονα για ένα θετικά φορτισμένο “διάστημα”. Μόλις το ηλεκτρόνιο φτάσει σε διεγερμένη κατάσταση, το ζευγάρι των σωματιδίων μπαίνει σε τροχιά, αλλά για πολύ μικρό χρονικό διάστημα, περιπλέκει οποιαδήποτε κλίμακα. Στη συνέχεια, το ηλεκτρόνιο επιστρέφει στην αρχική του θέση μέσα στο άτομο εκπέμποντας ένα φωτόνιο ή διαφεύγει εντελώς από το άτομο. Στην πραγματικότητα, ακόμη και μια μικρή ποσότητα ενέργειας μπορεί να διασκορπιστεί με τον ένα ή τον άλλο τρόπο μόλις δημιουργηθεί το Exeton.

READ  Το πρώτο «εμβόλιο» άνοιξε στη Γαλλία κοντά στο Μονπελιέ

Πίστωση: OIST

“Τα Exidons ανακαλύφθηκαν από επιστήμονες πριν από περίπου 90 χρόνια”Λέει ο καθηγητής Keshav Dani, ανώτερος συγγραφέας του OIST και επικεφαλής της μονάδας φασματοσκοπίας Femtosecond. “Αλλά μέχρι πολύ πρόσφατα θα μπορούσε κανείς να έχει πρόσβαση μόνο στην οπτική υπογραφή των ηλεκτρονίων – το φως που εκπέμπεται όταν το εξόντον εξαφανίζεται. Ο χρόνος τους ή άλλα χαρακτηριστικά όπως το ηλεκτρόνιο και η τροχιά των οπών περιγράφονται μόνο στη θεωρία.”

“Τα εξιτόνια είναι μεμονωμένα σωματίδια: είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, που σημαίνει ότι συμπεριφέρονται διαφορετικά από τα ηλεκτρόνια στην ύλη. Η παρουσία τους αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο ένα αντικείμενο αποκρίνεται στο φως.” Ο Δρ Michael Mann, συν-συγγραφέας και επιστήμονας στο τμήμα φασματοσκοπίας Femtosecond του OIST, εξηγεί. “Αυτό το έργο μας φέρνει πιο κοντά σε μια πλήρη κατανόηση της φύσης των εξωτόνων. “

Μετρήστε την πιθανότητα παρουσίας ηλεκτρονίων

Στις 21 Απριλίου 2021, η ομάδα δημοσίευσε μια μελέτη στο περιοδικό Scientific Advances, μια τεχνική για τη μέτρηση της ροπής των ηλεκτρονίων σε εξόνες. Για να επιτύχει ένα τέτοιο αποτέλεσμα, η ομάδα δημιούργησε πρώτα excitons χρησιμοποιώντας παλμό λέιζερ μέσα σε ένα δισδιάστατο αντικείμενο ημιαγωγού, δηλαδή με πάχος μερικών ατόμων.

Όταν σχηματίζονται έξοδοι, οι ερευνητές στέλνουν μια δέσμη λέιζερ με πολύ υψηλής ενέργειας φωτόνια, η οποία διαχωρίζει τις οπές από τα ηλεκτρόνια και αποβάλλει τα ηλεκτρόνια από το υλικό. Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο τοποθετείται ελαφρώς πάνω από το αντικείμενο, το οποίο μετρά τη γωνία και την ενέργεια στην οποία εξέρχονται τα ηλεκτρόνια και με αυτές τις πληροφορίες μπορεί να ανακατασκευαστεί όταν η αρχική ροπή του ηλεκτρονίου αλληλεπιδρά με την οπή μέσα στο εξώτον.

READ  Ο απομακρυσμένος γαλαξίας που πεθαίνει παρατηρήθηκε για πρώτη φορά από αστρονόμους

Πίστωση: OIST

“Αυτό δεν είναι μικρό έργο”, Καταλήγει ο καθηγητής Danny. “Οι μετρήσεις έπρεπε να ληφθούν με μεγάλη προσοχή για να αποφευχθεί η θέρμανση των ηλεκτρονίων. Σε χαμηλές θερμοκρασίες και χαμηλές εντάσεις, χρειάστηκαν αρκετές ημέρες για να πάρουμε μια εικόνα.” Τέλος, η ομάδα μέτρησε τη δραστηριότητα κύματος του exciton, η οποία παρέχει πρόσβαση στις πιθανότητες του ηλεκτρονίου να είναι γύρω από την οπή.

Πιθανότητα νέφους εάν υπάρχει παρουσία ηλεκτρονίων. Πίστωση: OIST

Δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια είναι τόσο κύματα όσο και σωματίδια, η κβαντική φυσική λέει ότι δεν είναι δυνατόν να γνωρίζουμε την ακριβή θέση τους, μπορεί να υπολογιστεί μόνο η κατανομή πιθανότητας παρουσία. “Αυτά τα έργα αντιπροσωπεύουν τεράστια πρόοδο στη φυσική”, Λέει ο Julian Madio, συν-συγγραφέας και ερευνητής στην ενότητα Φασματοσκοπία Femtosecond στο OIST. “Εάν οι εσωτερικές τροχιές των σωματιδίων που ανήκουν στα σύνθετα σωματίδια μπορούν να οπτικοποιηθούν, αυτά τα σύνθετα σωματίδια μπορούν να κατανοηθούν καλύτερα, να μετρηθούν και τελικά να ελεγχθούν. Αυτό θα επιτρέψει τη δημιουργία νέων κβαντικών καταστάσεων και τεχνολογιών που βασίζονται σε αυτές. Σχόλια.”

Koralia Markiadi

" Άπληστος φανατικός φαγητού. Ανυπόφορος ενθουσιώδης twitter. Wannabe επιχειρηματίας. Αφιερωμένος συγγραφέας."

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *

Back to top