หนึ่งศตวรรษหลังจากถูกค้นพบ มนุษย์ได้จับภาพการโคจรของอิเล็กตรอนของ exciton เป็นครั้งแรก

นักวิจัยจากสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งโอกินาวา (OIST) ได้วัดการกระจายโมเมนตัมของโฟโตอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากสารกระตุ้นในชั้นเดียวของทังสเตน diselenide และจับภาพที่แสดงวงโคจรภายในหรือการกระจายเชิงพื้นที่ของอนุภาคใน excitons นี่คือสิ่งนี้ มันคือ เป้าหมายที่นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถทำได้ตั้งแต่มีการค้นพบสารกระตุ้นเมื่อเกือบศตวรรษก่อน

Excitons เป็นสถานะตื่นเต้นของสสารที่พบในเซมิคอนดักเตอร์ วัสดุประเภทนี้เป็นกุญแจสำคัญในอุปกรณ์เทคโนโลยีสมัยใหม่หลายอย่าง เช่น เซลล์แสงอาทิตย์ ไฟ LED เลเซอร์ และสมาร์ทโฟน

ดร.ไมเคิล แมน กล่าวว่า "Excitons เป็นอนุภาคที่มีลักษณะเฉพาะและน่าสนใจมาก พวกมันเป็นกลางทางไฟฟ้า ซึ่งหมายความว่าพวกมันมีพฤติกรรมในวัสดุที่แตกต่างจากอนุภาคอื่นๆ เช่น อิเล็กตรอน การปรากฏตัวของพวกมันสามารถเปลี่ยนวิธีที่วัสดุทำปฏิกิริยากับแสงได้จริงๆ" ผู้เขียนและนักวิทยาศาสตร์คนแรกในกลุ่ม Femtosecond Spectroscopy ของ OIST "งานนี้ทำให้เราเข้าใจธรรมชาติของ exciton มากขึ้น"

Excitons เกิดขึ้นเมื่อสารกึ่งตัวนำดูดซับโฟตอน ซึ่งทำให้อิเล็กตรอนที่มีประจุลบกระโดดจากระดับพลังงานต่ำไปสู่ระดับพลังงานสูง ซึ่งจะทำให้ตำแหน่งงานว่างที่มีประจุบวกอยู่ที่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า เรียกว่ารู อิเล็กตรอนและรูที่มีประจุตรงข้ามดึงดูดกัน และพวกมันเริ่มโคจรรอบกันและกัน ซึ่งทำให้เกิด excitons

Excitons มีความสำคัญในเซมิคอนดักเตอร์ แต่จนถึงขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจจับและวัดค่าเหล่านี้ได้ด้วยวิธีที่จำกัดเท่านั้น ปัญหาหนึ่งอยู่ที่ความเปราะบางของมัน ซึ่งใช้พลังงานค่อนข้างน้อยในการทำลายสาร exciton ให้เป็นอิเล็กตรอนและรูอิสระ นอกจากนี้ พวกมันหายวับไปในธรรมชาติ-ในวัสดุบางชนิด excitons จะดับภายในสองสามพันของเวลาหลังจากที่พวกมันก่อตัวขึ้น ในเวลาที่อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นจะ "ตกลง" กลับเข้าไปในรู

ศาสตราจารย์ Keshav Dani ผู้เขียนอาวุโสและหัวหน้ากลุ่ม femtosecond spectroscopy ของ OIST กล่าวว่า "นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบ excitons ครั้งแรกเมื่อประมาณ 90 ปีที่แล้ว “แต่จนกระทั่งเมื่อไม่นานนี้ ผู้คนมักจะได้เพียงลักษณะทางแสงของ exciton เท่านั้น ตัวอย่างเช่น แสงที่ปล่อยออกมาเมื่อ exciton หายไป คุณสมบัติอื่น ๆ ของคุณสมบัติเหล่านี้ เช่น โมเมนตัม และวิธีที่อิเล็กตรอนและรูทำงานร่วมกัน สามารถทำได้เท่านั้น ที่ได้มาจากการอธิบายในทางทฤษฎี"

อย่างไรก็ตาม ในเดือนธันวาคม 2020 นักวิทยาศาสตร์จาก OIST Femtosecond Spectroscopy Group ได้ตีพิมพ์บทความในวารสาร Science ที่อธิบายถึงเทคนิคการปฏิวัติในการวัดโมเมนตัมของอิเล็กตรอนใน excitons ตอนนี้ใน "Science Advances" ฉบับวันที่ 21 เมษายน ทีมงานได้ใช้เทคโนโลยีนี้ในการจับภาพเป็นครั้งแรกที่แสดงการกระจายของอิเล็กตรอนรอบๆ รูใน exciton

นักวิจัยได้สร้าง excitons ขึ้นเป็นครั้งแรกโดยส่งพัลส์เลเซอร์ไปยังสารกึ่งตัวนำแบบสองมิติ ซึ่งเป็นวัสดุประเภทที่ค้นพบเมื่อเร็ว ๆ นี้ซึ่งมีความหนาเพียงไม่กี่อะตอมและมี exciton ที่ทรงพลังกว่า หลังจากสร้าง exciton แล้ว ทีมวิจัยได้ใช้ลำแสงเลเซอร์ที่มีโฟตอนพลังงานสูงเป็นพิเศษเพื่อย่อยสลาย exciton และเตะอิเล็กตรอนออกจากวัสดุโดยตรงไปยังพื้นที่สุญญากาศในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนวัดมุมและพลังงานของอิเล็กตรอนขณะที่หลุดออกจากวัสดุ จากข้อมูลนี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถกำหนดโมเมนตัมเริ่มต้นเมื่ออิเล็กตรอนรวมกับรูใน excitons

"เทคโนโลยีนี้มีความคล้ายคลึงกันบางอย่างกับการทดลอง collider ในฟิสิกส์พลังงานสูง ใน collider อนุภาคจะถูกกระแทกเข้าด้วยกันด้วยพลังงานอันแรงกล้าและทำลายพวกมัน โดยการวัดอนุภาคภายในที่มีขนาดเล็กกว่าที่เกิดขึ้นในวิถีการชนกัน นักวิทยาศาสตร์สามารถเริ่มแยกชิ้นส่วนได้ ประกอบกับโครงสร้างภายในของอนุภาคที่สมบูรณ์ดั้งเดิม” ศาสตราจารย์ดานีกล่าว "ที่นี่ เรากำลังทำสิ่งที่คล้ายคลึงกัน เรากำลังใช้โฟตอนแสงอัลตราไวโอเลตสุดขั้วเพื่อสลาย exciton และวัดวิถีของอิเล็กตรอนเพื่ออธิบายสิ่งที่อยู่ภายใน"

"นี่ไม่ใช่งานง่าย" ศาสตราจารย์ดานีกล่าวต่อ "การวัดต้องทำอย่างระมัดระวังที่อุณหภูมิต่ำและความเข้มต่ำเพื่อหลีกเลี่ยงการให้ความร้อนแก่ excitons ใช้เวลาสองสามวันเพื่อให้ได้ภาพ ในท้ายที่สุด ทีมงานวัดฟังก์ชันคลื่นของ exciton ได้สำเร็จและได้ให้ ความน่าจะเป็นที่อิเล็กตรอนอาจอยู่รอบๆ รู

"งานนี้ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในด้านนี้" Dr. Julien Madeo ผู้เขียนงานวิจัยชิ้นแรกและนักวิทยาศาสตร์ในกลุ่ม Femtosecond Spectroscopy Group ของ OIST กล่าว "ความสามารถในการมองเห็นวงโคจรภายในของอนุภาคด้วยสายตา เพราะมันสร้างอนุภาคคอมโพสิตขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งช่วยให้เราเข้าใจ วัดผล และควบคุมอนุภาคคอมโพสิตได้ในที่สุดด้วยวิธีที่ไม่เคยมีมาก่อน ซึ่งช่วยให้เราสร้างอนุภาคใหม่ตามแนวคิดเหล่านี้ ควอนตัม สถานะของสสารและเทคโนโลยี”