破解世纪之谜！科学家捕捉到世界上第一张激子内部的电子分布图像
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（激子内部电子分布示意图，图源OIST）
激子（Exciton）是半导体中物质的兴奋状态，是许多现代技术设备（例如太阳能电池，LED，激光器和智能手机）的关键材料。
当半导体吸收光子时会形成激子，这会导致带负电的电子从较低的能级跃迁到较高的能级。这样就在较低的能级上留下了带正电的空白空间，称为空穴。带相反电荷的电子和空穴吸引，它们开始相互轨道运动，从而产生激子。激子的存在可以改变材料对光的反应。
科学家大约在90年前首次发现了激子。但是到目前为止，科学家只能以有限的方式检测和测量激子。由于将激子分解成自由电子和空穴只需要相对较少的能量，因此激子相当“易碎”。此外，它们本质上是转瞬即逝的。在某些材料中，激子在形成后大约几千分之一秒就消失了，这时被激发的电子“落入”了空穴中。
激子的测量问题困扰了科学家将近一个世纪之长，直到现在，冲绳先端科学技术大学院大学（OIST）的研究团队终于捕捉到了有史以来第一张显示激子内部空穴周围电子分布的图像。这项重大发现发表在《科学进展》期刊上。
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（具体原理，图源OIST）
研究人员首先通过在二维半导体上发射激光脉冲来产生激子，这是最近发现的一类材料，其厚度仅为几个原子，并且具有更坚固的激子。
激子形成后，研究小组使用具有超高能量光子的激光束将激子分解，并将电子从材料中踢出，进入电子显微镜内的真空空间。
电子显微镜测量了从材料中飞出的电子的角度和能量。根据这些信息，科学家可以确定电子与激子内的一个空穴结合时的初始动量。
“这项技术与高能物理对撞机实验有一些相似之处，在高能物理对撞机实验中，粒子被大量能量粉碎，使其破裂。通过测量碰撞中产生的较小内部粒子的轨迹，科学家可以开始破碎原始完整颗粒的内部结构结合在一起。” Dani教授说。“原理是相似的。我们正在使用极紫外光子来分裂激子，并测量电子的轨迹以描绘里面的东西。”
最终，该团队成功地测量了激子的波函数，从而给出了电子可能位于空穴周围的位置的可能性。
OIST飞秒光谱学部门的第一作者，研究员之一朱利安·马多（Julien Madeo）博士说：“这项工作是该领域的重要进步。” “能够可视化粒子形成更大的复合粒子时的内部轨道，这可以使我们以前所未有的方式理解，测量和最终控制复合粒子。这可以使我们基于这些概念创建物质和技术的新量子态。”
参考资料：
https://phys.org/news/2021-04-scientists-capture-image-electron-orbit.html
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