Excitons não são tecnicamente partículas, mas quasipartículas (quase que significa "quase" em latim). Eles são formados pela atração eletrostática entre excitados, elétrons carregados negativamente, e orifícios carregados positivamente. Os buracos são espaços deixados para trás pelos elétrons excitados e são eles próprios um tipo de quase-partícula. Crédito:OIST
Em uma estreia mundial, pesquisadores da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) capturaram uma imagem mostrando as órbitas internas, ou distribuição espacial, de partículas em um exciton - um objetivo que escapou aos cientistas por quase um século. Suas descobertas são publicadas em Avanços da Ciência .
Excitons são estados excitados da matéria encontrados nos semicondutores - uma classe de materiais que são essenciais para muitos dispositivos tecnológicos modernos, como células solares, LEDs, lasers e smartphones.
"Os excitons são partículas realmente únicas e interessantes; eles são eletricamente neutros, o que significa que se comportam de maneira muito diferente em materiais de outras partículas, como os elétrons. Sua presença pode realmente mudar a maneira como um material responde à luz, "disse o Dr. Michael Man, co-primeiro autor e cientista da equipe da unidade de espectroscopia de femtosegundo da OIST. "Este trabalho nos aproxima de uma compreensão completa da natureza dos excitons."
Excitons são formados quando semicondutores absorvem fótons de luz, o que faz com que os elétrons carregados negativamente saltem de um nível de energia mais baixo para um nível de energia mais alto. Isso deixa para trás espaços vazios carregados positivamente, chamados buracos, no nível de energia inferior. Os elétrons e buracos com cargas opostas se atraem e começam a orbitar um ao outro, que cria os excitons.
Excitons são crucialmente importantes dentro de semicondutores, Mas por enquanto, os cientistas só foram capazes de detectá-los e medi-los de maneiras limitadas. Um dos problemas reside na fragilidade deles - é necessária relativamente pouca energia para quebrar o exciton em elétrons livres e lacunas. Além disso, eles são fugazes por natureza - em alguns materiais, excitons são extintos em cerca de alguns milésimos de bilionésimo de segundo depois de se formarem, quando os elétrons excitados "caem" de volta nos buracos.
O instrumento usa um pulso inicial de luz para excitar elétrons e gerar excitons. Isso é rapidamente seguido por um segundo pulso de luz que usou fótons ultravioleta extremos para chutar os elétrons dentro dos excitons para fora do material e para o vácuo de um microscópio eletrônico. O microscópio eletrônico mede então a energia e o ângulo que os elétrons deixaram do material para determinar o momento do elétron ao redor do buraco dentro do exciton. Crédito:OIST
"Os cientistas descobriram excitons há cerca de 90 anos, "disse o professor Keshav Dani, autor sênior e chefe da Unidade de Espectroscopia de Femtosegundo no OIST. "Mas até muito recentemente, geralmente se pode acessar apenas as assinaturas ópticas de excitons - por exemplo, a luz emitida por um exciton quando extinto. Outros aspectos de sua natureza, como seu momentum, e como o elétron e o buraco orbitam um ao outro, só poderia ser descrito teoricamente. "
Contudo, em dezembro de 2020, cientistas da Unidade de Espectroscopia de Femtosegundo OIST publicaram um artigo em Ciência descrevendo uma técnica revolucionária para medir o momento dos elétrons dentro dos excitons.
Agora, reportando Avanços da Ciência , a equipe usou a técnica para capturar a primeira imagem que mostra a distribuição de um elétron ao redor do buraco dentro de um exciton.
Os pesquisadores primeiro geraram excitons enviando um pulso de luz laser em um semicondutor bidimensional - uma classe recentemente descoberta de materiais que têm apenas alguns átomos de espessura e abrigam excitons mais robustos.
Depois que os excitons foram formados, a equipe usou um feixe de laser com fótons de ultra-alta energia para separar os excitons e chutar os elétrons para fora do material, no espaço de vácuo dentro de um microscópio eletrônico.
Na física do muito pequeno, conceitos quânticos estranhos se aplicam. Os elétrons agem tanto como partículas quanto como ondas e, portanto, é impossível saber a posição e o momento de um elétron ao mesmo tempo. Em vez de, a nuvem de probabilidade de um exciton mostra onde o elétron é mais provável de ser encontrado ao redor do buraco. A equipe de pesquisa gerou uma imagem da nuvem de probabilidade do exciton medindo a função de onda. Crédito:OIST
O microscópio eletrônico mediu o ângulo e a energia dos elétrons conforme eles voavam para fora do material. A partir desta informação, os cientistas foram capazes de determinar o momento inicial do elétron quando ele foi ligado a um buraco dentro do exciton.
"A técnica tem algumas semelhanças com os experimentos do colisor da física de alta energia, onde as partículas são esmagadas juntamente com quantidades intensas de energia, quebrando-os abertos. Ao medir as trajetórias das partículas internas menores produzidas na colisão, os cientistas podem começar a juntar as peças da estrutura interna das partículas intactas originais, "disse a professora Dani." Aqui, estamos fazendo algo semelhante - estamos usando fótons de luz ultravioleta extrema para separar excitons e medindo as trajetórias dos elétrons para visualizar o que está dentro. "
"Isso não foi fácil, "continuou o professor Dani." As medições tiveram que ser feitas com extremo cuidado - em baixa temperatura e baixa intensidade para evitar o aquecimento dos excitons. Demorou alguns dias para adquirir uma única imagem. "
Em última análise, a equipe conseguiu medir a função de onda do exciton, o que dá a probabilidade de onde o elétron provavelmente estará localizado ao redor do buraco.
“Este trabalho é um avanço importante na área, "disse o Dr. Julien Madeo, co-primeiro autor e cientista da equipe da unidade de espectroscopia de femtosegundo da OIST. "Ser capaz de visualizar as órbitas internas das partículas à medida que formam partículas compostas maiores pode nos permitir entender, medir e, em última análise, controlar as partículas compostas de maneiras sem precedentes. Isso poderia nos permitir criar novos estados quânticos de matéria e tecnologia com base nesses conceitos. "
