Découvrez la toute première image au monde des orbites internes d’un exciton


De nouvelles recherches sur les excitons de l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa pourraient aider à ouvrir la voie à de nouveaux états quantiques de la matière.

Les excitons sont des états excités de la matière trouvés dans les semi-conducteurs, ce qui en fait une partie vitale des dispositifs technologiques modernes tels que les LED, les lasers, les smartphones et les cellules solaires. Mais jusqu’à présent, les scientifiques n’ont pas pu voir correctement leur fonctionnement interne.

Depuis qu’ils ont découvert des excitons il y a environ 90 ans, les scientifiques tentent d’en savoir plus sur leur élan et leur orbite. Désormais, des chercheurs de l’Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ont réussi à capturer une image des orbites internes d’un exciton.

Selon les chercheurs, il a été si difficile d’arriver à ce point car les excitons sont fragiles et fugaces. Ils se séparent très facilement en électrons libres et en trous, et dans certains matériaux, ils s’éteignent en quelques millièmes de milliardième de seconde après leur formation.

Ces trous sont des espaces vides chargés positivement qui sont créés lors de la formation d’un exciton. Lorsque les semi-conducteurs absorbent des photons de lumière, les électrons chargés négativement sautent de leur niveau d’énergie inférieur à un niveau d’énergie supérieur, laissant les trous derrière eux. Les électrons et les trous, qui ont des charges opposées, s’attirent les uns les autres et tournent en orbite, créant l’exciton.

Schéma des orbites internes en excitons, montrant un électron et un trou en orbite autour de l'autre.

Des électrons et des trous en orbite autour des excitons. Image: OIST

C’est cette orbite et la façon dont les électrons sont répartis le long d’elle que les chercheurs ont réussi à capturer. Le professeur Keshav Dani, auteur principal du document de recherche et chef de l’unité de spectroscopie femtoseconde à l’OIST, a déclaré: «Les scientifiques ont découvert des excitons pour la première fois il y a environ 90 ans.

«Mais jusqu’à très récemment, on ne pouvait généralement accéder qu’aux signatures optiques des excitons; par exemple, la lumière émise par un exciton lorsqu’il est éteint. D’autres aspects de leur nature, tels que leur élan et la manière dont l’électron et le trou gravitent l’un vers l’autre, ne peuvent être décrits que théoriquement.

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Le groupe a généré des excitons en envoyant une impulsion laser de lumière à un semi-conducteur bidimensionnel. Ensuite, ils ont cassé les excitons à l’aide d’un faisceau laser avec des photons à très haute énergie et les ont expulsés du matériau semi-conducteur. Ils ont été envoyés dans l’espace vide dans un microscope électronique.

À l’aide du microscope électronique, les chercheurs ont pu mesurer l’angle et l’énergie des électrons à la sortie du semi-conducteur et, finalement, déterminer l’élan initial des électrons lorsqu’ils étaient liés aux trous dans les excitons. Cela leur a permis de mesurer la fonction d’onde de l’exciton, ce qui leur a montré la probabilité de l’emplacement probable des électrons autour des trous.

«La technique présente certaines similitudes avec les expériences de collisionneur de physique des hautes énergies, où les particules sont écrasées avec d’intenses quantités d’énergie, les brisant», a expliqué Dani. «En mesurant les trajectoires des particules internes plus petites produites lors de la collision, les scientifiques peuvent commencer à reconstituer la structure interne des particules intactes d’origine.

«Ici, nous faisons quelque chose de similaire; nous utilisons des photons ultraviolets extrêmes pour briser les excitons et mesurer les trajectoires des électrons pour imaginer ce qu’il y a à l’intérieur.

Dani a ajouté que les chercheurs devaient effectuer les mesures avec «un soin extrême», à basse température et à faible intensité pour éviter «d’échauffer les excitons».

«Ce n’était pas un mince exploit. Il a fallu quelques jours pour acquérir une seule image », a-t-il déclaré.

«Ce travail est une avancée importante dans le domaine», a déclaré le Dr Julien Madeo, co-premier auteur et chercheur au sein de l’unité de spectroscopie femtoseconde de l’OIST. «Être capable de visualiser les orbites internes des particules lorsqu’elles forment des particules composites plus grosses pourrait nous permettre de comprendre, mesurer et finalement contrôler les particules composites de manière sans précédent. Cela pourrait nous permettre de créer de nouveaux états quantiques de la matière et de la technologie basés sur ces concepts.

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