據外媒報導，一項革命性的技術使科學家們能夠以無與倫比的方式近距離觀察被稱為激子的瞬時粒子的內部。沖繩科學技術大學院大學（OIST）的研究人員在一項世界首創中捕捉到了顯示激子中粒子的內部軌道或空間分佈的圖像- -這是科學家們近一個世紀以來一直未能實現的目標。

激子是在半導體中發現的物質激發狀態–這類材料是許多現代技術設備的關鍵，如太陽能電池、LED、激光器和智能手機。

“激子是非常獨特和有趣的粒子；它們是電中性的，這意味著它們在材料中的行為與電子等其他粒子非常不同。它們的存在可以真正改變材料對光的反應方式，”共同第一作者、OIST飛秒光譜組的科學家Michael Man博士說。“這項工作使我們更接近於完全理解激子的性質。”

激子是在半導體吸收光子時形成的，這導致帶負電的電子從低能級跳到高能級。這在較低的能級上留下了帶正電的空位，稱為空穴。帶相反電荷的電子和空穴相互吸引，它們開始相互繞行，這就產生了激子。

激子在半導體中至關重要，但到目前為止，科學家們只能以有限的方式檢測和測量它們。一個問題在於它們的脆弱性–將激子分解成自由電子和空穴需要相對較少的能量。此外，它們在本質上是轉瞬即逝的–在一些材料中，激子在形成後大約千分之幾的時間內就會熄滅，此時受激電子會”落”回空穴中。

“科學家們大約在90年前首次發現了激子，”高級作者、OIST的飛秒光譜組負責人Keshav Dani教授說。”但是直到最近，人們通常只能獲得激子的光學特徵–例如，激子消失時發出的光。它們性質的其他方面，如它們的動量，以及電子和空穴如何相互運行，只能從理論上進行描述。”

然而，在2020年12月，OIST飛秒光譜組的科學家在《科學》雜誌上發表了一篇論文，描述了一種測量激子內電子動量的革命性技術。現在，在4月21日的《科學進展》雜誌上，該團隊使用該技術首次捕捉到了顯示激子內空穴周圍電子分佈的圖像。

研究人員首先通過向二維半導體發送激光脈衝產生了激子–這是最近發現的一類材料，其厚度只有幾個原子，並蘊藏著更強大的激子。在激子形成後，研究小組用一束帶有超高能量光子的激光來分解激子並將電子直接踢出材料，進入電子顯微鏡內的真空空間。電子顯微鏡測量了電子飛出材料時的角度和能量。從這些信息中，科學家們能夠確定電子與激子內的孔結合時的初始動量。

“這項技術與高能物理學的對撞機實驗有一些相似之處，在對撞機中，粒子被強烈的能量砸在一起，使它們破碎開。通過測量碰撞中產生的較小的內部粒子的軌跡，科學家們可以開始拼湊出原來完整粒子的內部結構，”Dani教授說。”在這裡，我們正在做類似的事情–我們正在使用極紫外光的光子來打破激子，並測量電子的軌跡來描繪里面的東西。”

“這不是一個簡單的壯舉，”Dani教授繼續說道。”測量必須非常小心–在低溫和低強度下進行，以避免激子被加熱。它花了幾天時間來獲取一個圖像。最終，該團隊成功地測量了激子的波函數，它給出了電子可能位於空穴周圍的位置的概率。

“這項工作是該領域的一個重要進展，”研究第一作者、OIST飛秒光譜組的科學家Julien Madeo博士說。”能夠直觀地看到粒子的內部軌道，因為它們形成了更大的複合粒子，可以讓我們以前所未有的方式了解、測量並最終控制複合粒子。這可以讓我們在這些概念的基礎上創造新的物質量子態和技術。”