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最近 ， 物理学家实现了一个等待了近一个世纪的梦想：创造出了第一幅激子内的电子空间分布的图像 。 严格来说 ， 激子并非真正的粒子 ， 而是一种准粒子 ， 这种准粒子可以在半导体材料中产生 ， 并且能极大地影响材料的光电性能 。
在半导体中 ， 当带负电的电子被光子激发 ， 就会从低能级跃迁到高能级 ， 于是在较低的能级中留下一个带正电荷的空洞 ， 称为空穴 。 电子和空穴相互吸引 ， 并绕着彼此运行 ， 而电子-空穴对所代表的束缚态就是激子 。
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激子示意图：它们是由受激发的带负电荷的电子和带正电荷的空穴之间在静电吸引下形成 。 空穴是激发态的电子留下的空洞 ， 本身也是一种准粒子 。 |图片素材：Clker-Free-Vector-Images / Pixabay
激子于上世纪30年代被首次发现 ， 自那之后 ， 物理学家便一直希望能通过实验来测量激子的波函数 ， 它能给出激子内电子绕空穴的可能位置的概率 。 然而 ， 近一个世纪以来 ， 他们一直未能实现这个目标 。
在去年12月 ， 冲绳科学技术大学院大学（OIST）的一个研究团队在《科学》杂志上发表了一篇论文 ， 描述了一种能用于测量激子内的电子动量的革命性技术 。 现在 ， 在一篇于近期发表在《科学进展》的研究中 ， 这组研究人员报道了他们利用这种技术 ， 成功地“打破”了激子 ， 并将激子内的电子踢入电子显微镜的真空中 ， 从而首次捕捉到了激子内部的空间分布图像 ， 拍摄了第一张激子内的电子的图像 。
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一直以来 ， 物理学家都知道激子在半导体中扮演着重要的角色 ， 然而到目前为止 ， 他们却苦于只能通过有限的方式来探测和测量激子 。 其中一个原因在于激子非常“脆弱” ， 只需一点点能量就能将激子分解成自由的电子和空穴 。 此外 ， 它们在本质上就是一种只能短暂存在的准粒子 ， 在一些材料中 ， 激子在形成后 ， 被激发的电子会很快就“掉”回到空穴中 ， 使激子在刚形不久就“熄灭” 。
长期以来 ， 科学家只能从一些与激子有关的光学特征对其加以了解 ， 例如当激子熄灭时所发出的光；而无法探测其他更能揭示其本质的性质 ， 比如动量 ， 以及电子和空穴如何相互围绕等 。 对于那些更与本质相关的信息 ， 他们只能进行理论性描述 。
在最新研究中 ， OIST的研究人员利用他们所发展的技术 ， 做出了突破性的进展 。
他们使用的是一种与高能物理学中的粒子对撞机有相似之处的实验设置 。 在对撞机中 ， 粒子以巨大的能量碰撞在一起 ， 碎裂成其他更小的亚原子粒子碎片 ， 通过测量碰撞中所产生的那些粒子的轨迹 ， 科学家可以拼凑出许多与原始粒子有关的信息 。 这也正是新研究所做的事 。
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研究人员所使用的实验装置在一开始会用初始激光泵所发射的激光来激发电子 ， 从而产生激子；紧接着 ， 第二束高能激光脉冲将激子中的电子踢出 ， 进入电子显微镜的真空中；接下来 ， 电子显微镜可以测量电子离开材料的能量和角度 ， 以确定电子在激子内的动量 。 |图片来源：OIST
在实验中 ， 他们首先通过向一种二维半导体材料发送一束激光脉冲来激发材料中的电子 ， 制造出激子 。 这种半导体材料是于近期新发现的 ， 其厚度只有几个原子大 ， 能拥有更稳定的激子 。 在激子形成后 ， 研究人员会使用第二束激光——具有超高能量的极端紫外激光束来分离激子 ， 这些高能的光子能将电子从材料中踢出 ， 进入到电子显微镜的真空空间内 。 接着 ， 电子显微镜便可以测量电子从材料中飞出时的角度和能量 。 从这些信息中 ， 物理学家就能确定电子在与空穴一起束缚在激子内所具有的初始动量 。
最终 ， 他们成功地测量了激子的波函数 ， 给出了电子在空穴周围的可能位置的概率 。
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激子的概率云显示了电子在空穴周围最有可能被发现的位置 。 研究小组通过测量激子的波函数 ， 生成了激子概率云的图像 。 |图片来源：OIST
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从实验的角度来看 ， 这是一次了不起的突破 。 因为它对操作的要求很高 ， 需要在低温和低强度下进行 ， 以避免让激子升温 。 研究人员用了几天的时间才获得一张图像 。 这样的结果让物理学家更接近于完全理解激子的本质 ， 是这一领域的研究的一次重大进展 。 研究人员解释说 ， 能够可视化这类复合粒子的内部轨道 ， 有助于科学家以前所未有的方式理解、测量并最终控制这些粒子 ， 最终帮助科学家创造出新的物质量子态和技术 。
#创作团队：
编译：小雨
【材料|等待了近一个世纪，这是它的第一张图像】#参考来源：
https://www.oist.jp/news-center/press-releases/scientists-capture-first-ever-image-electron’s-orbit-within-exciton
https://cosmosmagazine.com/science/physics/exciting-exciton-breakthrough/https://advances.sciencemag.org/content/7/17/eabg0192https://science.sciencemag.org/content/370/6521/1199
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