研究人員報告說，他們首次對激子的電子和空穴進(jìn)行了成像，揭示了激子如何可能被困于密集、穩(wěn)定的陣列中。據(jù)科學(xué)家們說，這一發(fā)現(xiàn)對未來各種技術(shù)的發(fā)展以及對更好地理解激子的探索具有重大意義。

這些發(fā)現(xiàn)于2022年3月8日發(fā)表在《自然》雜志上，研究人員來自美國能源部的SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室、斯坦福大學(xué)和日本沖繩科學(xué)技術(shù)研究所（OIST）。當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時，無論是在光伏設(shè)備中吸收光以產(chǎn)生太陽能，還是在LED中從電力中產(chǎn)生光，激子可以發(fā)揮重要的作用。無論是對于基本的理解還是對于新技術(shù)的開發(fā)，例如量子信息科學(xué)的單光子發(fā)射器，我們都需要對激子的性質(zhì)和屬性有一個全面的了解。"

當(dāng)光線照射到薄薄的半導(dǎo)體材料上時，激子就會產(chǎn)生。這導(dǎo)致電子從它們在原子中的正常位置被彈出，產(chǎn)生被稱為"洞"的空位，這些空位以與電子相同的方式在材料中流動。當(dāng)一個電子和一個空穴形成一個短暫的結(jié)合時，就會形成一個激子。電子和空穴相互旋轉(zhuǎn)，就像舞者牽手一樣，它們以這種方式繼續(xù)下去，直到電子落回空穴中。

然而，由于激子的壽命很短，只有十億分之一秒--對它們的研究已經(jīng)停滯。激子在一起的時間越長，科學(xué)家就能從它們身上學(xué)到更多的東西，它們就會變得更加有用。現(xiàn)在，聯(lián)合團(tuán)隊宣布，他們獲得了第一張顯示電子如何相對于激子中的空穴分布的圖像。

在這項最新的研究中，該團(tuán)隊研究了在兩種不同半導(dǎo)體的原子級薄膜的界面上發(fā)展的激子。這是一個令人興奮的前沿領(lǐng)域，因?yàn)檫@些激子可能比單層中的激子持續(xù)時間長一千到一百萬倍。首先，他們首次測量了激子空穴的大小，這是一個真正的挑戰(zhàn)，因?yàn)榭昭ㄊ请娮拥娜笔В皇且粋€真正的粒子，而且它本身不發(fā)射任何信號。研究人員能夠通過它們在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中留下的獨(dú)特的空隙來識別空穴，這使研究人員能夠更全面地了解電子在空穴周圍的運(yùn)動和整個激子的運(yùn)動。

然后，他們著手通過將兩種不同的半導(dǎo)體薄膜以微小的角度分層來捕獲激子，從而在原子尺度上創(chuàng)造出摩爾紋圖案。摩爾紋圖案中的每個孔都是一種能量井，可以吸引和容納一個激子，而材料的設(shè)計使這些能量井與激子一樣大，甚至略小。

當(dāng)他們用tr-ARPES觀察摩爾紋結(jié)構(gòu)，看激子是否以及如何融入其中時，他們發(fā)現(xiàn)每個激子都緊緊地坐在它的井中，就像一個被發(fā)球機(jī)夾住的高爾夫球。這是出乎意料的，因?yàn)橐郧罢J(rèn)為需要更大的井來捕獲激子，但更小的井是首選，因?yàn)樗鼈兏€(wěn)定，形成更均勻的陣列。

有了這種對激子等復(fù)合粒子進(jìn)行全面成像的新能力，研究人員可以繼續(xù)探索更復(fù)雜的電子和空穴排列，這將闡明二維和其他量子材料中多粒子相互作用的性質(zhì)。

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