Los excitones son estados excitados de la materia que se encuentran dentro de los semiconductores, una clase de materiales que son clave para muchos dispositivos tecnológicos modernos, como células solares, LED, láseres y teléfonos inteligentes.
“Los excitones son partículas realmente únicas e interesantes; son eléctricamente neutrales, lo que significa que se comportan de manera muy diferente dentro de los materiales de otras partículas como los electrones. Su presencia realmente puede cambiar la forma en que un material responde a la luz”, dijo el Dr. Michael Man, co-primer autor y científico de planta de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos de la OIST . "Este trabajo nos acerca a comprender completamente la naturaleza de los excitones".
Los excitones se forman cuando los semiconductores absorben fotones de luz, lo que hace que los electrones cargados negativamente salten de un nivel de energía más bajo a un nivel de energía más alto. Esto deja espacios vacíos cargados positivamente, llamados agujeros, en el nivel de energía más bajo. Los electrones y agujeros con carga opuesta se atraen y comienzan a orbitarse entre sí, lo que crea los excitones.
Los excitones son de vital importancia dentro de los semiconductores, pero hasta ahora, los científicos solo han podido detectarlos y medirlos de manera limitada. Un problema radica en su fragilidad: se necesita relativamente poca energía para romper el excitón en electrones y huecos libres. Además, son de naturaleza fugaz. En algunos materiales, los excitones se extinguen en unas milésimas de mil millonésimas de segundo después de formarse, cuando los electrones excitados "caen" de nuevo en los agujeros.
“Los científicos descubrieron por primera vez los excitones hace unos 90 años”, dijo el profesor Keshav Dani, autor principal y jefe de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos en OIST. “Pero hasta hace muy poco, generalmente se podía acceder solo a las firmas ópticas de los excitones, por ejemplo, la luz emitida por un excitón cuando se extingue. Otros aspectos de su naturaleza, como su momento y cómo el electrón y el agujero se orbitan entre sí, solo podrían describirse teóricamente ".
Sin embargo, en diciembre de 2020, los científicos de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos de OIST publicaron un artículo en _Science _que describe una técnica revolucionaria para medir el impulso de los electrones dentro de los excitones.
Ahora, se publicó el 21 de abril en Science Advances que el equipo utilizó la técnica para capturar la primera imagen que muestra la distribución de un electrón alrededor del agujero dentro de un excitón.
Los investigadores primero generaron excitones enviando un pulso láser de luz a un semiconductor bidimensional, una clase de materiales recientemente descubierta que tiene solo unos pocos átomos de espesor y alberga excitones más robustos.
Después de que se formaron los excitones, el equipo usó un rayo láser con fotones de energía ultra alta para romper los excitones y expulsar los electrones directamente del material, al espacio de vacío dentro de un microscopio electrónico.
El microscopio electrónico midió el ángulo y la energía de los electrones cuando salieron volando del material. A partir de esta información, los científicos pudieron determinar el impulso inicial del electrón cuando estaba unido a un agujero dentro del excitón.
“La técnica tiene algunas similitudes con los experimentos de colisionador de la física de alta energía, donde las partículas se rompen juntas con cantidades intensas de energía, rompiéndolas. Al medir las trayectorias de las partículas internas más pequeñas producidas en la colisión, los científicos pueden comenzar a reconstruir la estructura interna de las partículas intactas originales ”, dijo el profesor Dani. "Aquí, estamos haciendo algo similar: estamos usando fotones de luz ultravioleta extrema para romper los excitones y medir las trayectorias de los electrones para imaginar lo que hay dentro".
“No fue poca cosa”, continuó el profesor Dani. “Las mediciones debían realizarse con sumo cuidado, a baja temperatura y baja intensidad para evitar el calentamiento de los excitones. Se necesitaron unos días para adquirir una sola imagen ".
En última instancia, el equipo logró medir la función de onda del excitón, lo que da la probabilidad de dónde es probable que se ubique el electrón alrededor del agujero.
“Este trabajo es un avance importante en el campo”, dijo el Dr. Julien Madeo, co-primer autor y científico de planta de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos de la OIST. “Ser capaces de visualizar las órbitas internas de las partículas a medida que forman partículas compuestas más grandes podría permitirnos comprender, medir y, en última instancia, controlar las partículas compuestas de formas sin precedentes. Esto podría permitirnos crear nuevos estados cuánticos de materia y tecnología basados en estos conceptos”.
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