Uma imagem de um elétron dentro de um exciton

Excitons são semipartículas que correspondem aos estados excitados da matéria. Ele é moldado em materiais semicondutores e é usado em muitas aplicações industriais, como painéis solares ou smartphones. Pela primeira vez no mundo, cientistas do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) conseguiram calcular o momento dos elétrons, um parâmetro que caracteriza sua rotação dentro desses estados excitantes, e os transcreveu em imagens. Os resultados de seu estudo são publicados na revista Avanços da Ciência 21 de abril de 2021.

Dentro de um semicondutor

Nem condutores, nem isolantes, os semicondutores são materiais que têm uma determinada função no nível subatômico: em um condutor, os elétrons dos átomos são livres para se mover ao redor do material, formando assim uma corrente elétrica. No isolador, o oposto é verdadeiro, eles estão presos dentro de seu átomo. Nos semicondutores, o núcleo é morno: é um isolante em tempos “normais”, mas mesmo com uma entrada de energia baixa, alguns elétrons são parcialmente liberados e podem conduzir corrente elétrica.

Ao iluminar um material semicondutor, os elétrons absorvem os fótons e as partículas que compõem a luz e aumentam sua energia, indo de um nível baixo (constante) para um nível alto (excitado). Esta entrada de energia permitirá que eles se libertem parcialmente das garras de seu átomo original, deixando para trás um déficit de carga negativa chamado de “buraco”.

“Quase-partículas”

Descoberto em 1931, mas ainda não observado diretamente, o termo “exciton” se refere a um estado excitado da matéria, no caso de um semicondutor, um par de orifícios eletrônicos. Este par é formado por duas “partículas”: um elétron com carga negativa e um orifício com carga positiva, que é mais precisamente um “espaço” com carga positiva. Este par de partículas entra em um orbital assim que o elétron entra no estado de excitação, mas por um tempo muito curto, o que torna qualquer medição complicada. Depois disso, o elétron retorna ao seu lugar original dentro do átomo, emitindo um fóton, ou então escapa completamente do átomo. Na verdade, mesmo com uma entrada mínima de energia, uma vez que o exciton é criado, ele de alguma forma se deteriora.

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Crédito: OIST

Os cientistas descobriram excitons há cerca de 90 anosDiz o professor Keshav Dani, autor principal e chefe da unidade de espectroscopia de femtossegundo no OIST. “Mas até muito recentemente, só se podia acessar a assinatura óptica do elétron – a luz emitida quando o exciton desapareceu. Outros aspectos relacionados a ela, como seu tempo, ou como o elétron e a órbita do buraco., Foram descritos apenas teoricamente.”

“Excitons são partículas únicas: eles são eletricamente neutros, o que significa que se comportam de maneira diferente dos elétrons em um material. Sua presença pode mudar a maneira como uma substância responde à luz.” O Dr. Michael Mann, co-autor sênior e cientista da Unidade de Espectroscopia de Femtosegundo do OIST, explica. “Este trabalho nos leva a uma compreensão completa da natureza dos excitons. “

Medindo a probabilidade de um elétron

Em 21 de abril de 2021, a equipe publicou um estudo na revista Science Advances, uma técnica para medir o momento dos elétrons dentro dos excitons. Para alcançar esse resultado, a equipe primeiro criou excitons usando um pulso de laser dentro de um material semicondutor bidimensional, com apenas alguns átomos de espessura.

Assim que os excitons são formados, os pesquisadores enviam um feixe de laser contendo fótons de alta energia, que separam os buracos dos elétrons e os expelem do material. Um microscópio eletrônico é colocado diretamente acima do material e mede o ângulo e a energia dos elétrons à medida que eles saem. Usando essa informação, é possível reconstruir o momento inicial do elétron quando ele ainda estava preso ao orifício dentro do exciton.

Crédito: OIST

“Não foi uma tarefa pequena”Professor Danny conclui. “As medições tiveram que ser feitas com muito cuidado, em baixas temperaturas e baixas densidades para evitar o aquecimento dos elétrons. Demoramos vários dias para obter uma única imagem.” Finalmente, a equipe mediu a função de onda do exciton, que fornece acesso às probabilidades de o elétron estar ao redor do buraco.

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A nuvem de probabilidade do elétron. Crédito: OIST

Isso ocorre porque os elétrons são ondas e partículas, a física quântica afirma que é impossível saber sua localização exata, e apenas a distribuição de probabilidade de existência pode ser calculada, como mostrado acima. Esses trabalhos representam um grande avanço na física.Diz Julian Maedo, co-autor sênior e pesquisador da Unidade de Espectroscopia de Femtosegundo no OIST. “A capacidade de visualizar as órbitas internas das partículas que pertencem às partículas compostas pode nos permitir entender, medir e controlar melhor essas partículas compostas. Pode nos permitir criar novos estados quânticos da matéria e técnicas baseadas neles. Conceitos. “

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