Los físicos han captado las órbitas de los electrones en una cuasipartícula de excitación por primera vez

Ha habido un nuevo y fabuloso logro en la física de partículas.

Por primera vez, los científicos han logrado obtener imágenes de las órbitas de los electrones dentro de un cuasipartícula conocido como excitón, un resultado que les ha permitido medir finalmente la función de onda excitónica que describe la distribución espacial del momento electrónico dentro de la cuasipartícula.

Este logro se ha buscado desde el descubrimiento de los excitones en la década de 1930 y, si bien puede parecer abstracto al principio, podría ayudar en el desarrollo de diversas tecnologías, incluidas las aplicaciones de tecnología cuántica.

“Los excitones son partículas realmente únicas e interesantes; son eléctricamente neutrales, lo que significa que se comportan de manera muy diferente dentro de los materiales de otras partículas como los electrones. Su presencia realmente puede cambiar la forma en que un material responde a la luz”. dijo el físico Michael Man de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) en Japón.

“Este trabajo nos acerca a comprender completamente la naturaleza de los excitones”.

probabilidad de excitonesLa distribución de probabilidad de electrones de un excitón muestra dónde es más probable que esté el electrón. (OIST)

Un excitón no es una verdadera partícula, sino una cuasipartícula, un fenómeno que surge cuando el comportamiento colectivo de las partículas hace que actúen como si fueran partículas. Los excitones surgen en los semiconductores, materiales que son más conductores que un aislante, pero no lo suficiente para contar como conductores propiamente dichos.

Los semiconductores son útiles en electrónica, ya que permiten un grado más fino de control sobre el flujo de electrones. Por difíciles de observar, los excitones juegan un papel importante en estos materiales.

Se pueden formar excitones cuando el semiconductor absorbe un fotón (una partícula de luz) que eleva los electrones cargados negativamente a un nivel de energía más alto; es decir, el fotón “excita” al electrón, lo que deja un espacio cargado positivamente llamado agujero de electrones. El electrón negativo y su agujero positivo se unen en una órbita mutua; un excitón es este par de huecos electrón-electrón en órbita.

Pero los excitones tienen una vida muy corta y son muy frágiles, ya que el electrón y su agujero pueden volver a unirse en solo una fracción de segundo, por lo que verlos no es una tarea fácil.

“Los científicos descubrieron los excitones por primera vez hace unos 90 años”, dijo el físico Keshav Dani de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos del OIST.

“Pero hasta hace muy poco, generalmente se podía acceder solo a las firmas ópticas de los excitones, por ejemplo, la luz emitida por un excitón cuando se extingue. Otros aspectos de su naturaleza, como su momento, y cómo el electrón y el agujero orbitan cada uno. otros, sólo podrían describirse teóricamente “.

Este es un problema que los investigadores han estado tratando de resolver. En Diciembre del año pasado, publicaron un método para observar directamente los momentos de los electrones. Ahora, han usado ese método. Y funcionó.

La técnica utiliza un material semiconductor bidimensional llamado diselenuro de tungsteno, alojado en una cámara de vacío que se enfría a una temperatura de 90 Kelvin (-183,15 grados Celsius o -297,67 grados Fahrenheit). Esta temperatura debe mantenerse para evitar que los excitones se sobrecalienten.

Un pulso de láser crea excitones en este material; Luego, un segundo láser de energía ultra alta expulsa los electrones por completo, al vacío de la cámara de vacío, que es monitoreada por un microscopio electrónico.

Este instrumento mide las velocidades y trayectorias de los electrones, información que luego se puede utilizar para calcular las órbitas iniciales de las partículas en el punto en el que fueron expulsadas de sus excitones.

función de onda de excitónFunción de onda cuadrada de un excitón. (Man et al., Sci. Adv., 2021)

“La técnica tiene algunas similitudes con los experimentos de colisionador de la física de alta energía, donde las partículas se rompen con cantidades intensas de energía, rompiéndolas. Al medir las trayectorias de las partículas internas más pequeñas producidas en la colisión, los científicos pueden comenzar a reconstruir juntos la estructura interna de las partículas intactas originales, ” Dani explicó.

“Aquí, estamos haciendo algo similar: estamos usando fotones de luz ultravioleta extrema para romper los excitones y medir las trayectorias de los electrones para imaginar lo que hay dentro”.

Aunque fue un trabajo delicado y que requirió mucho tiempo, el equipo pudo finalmente medir la función de onda de un excitón, que describe su estado cuántico. Esta descripción incluye su órbita con el agujero de electrones, lo que permite a los físicos predecir con precisión la posición del electrón.

Con algunos ajustes, la investigación del equipo podría ser un gran paso adelante para la investigación de excitones. Podría usarse para medir la función de onda de diferentes estados y configuraciones de excitones, y probar la física de los excitones de diferentes materiales y sistemas semiconductores.

“Este trabajo es un avance importante en el campo”, dijo el físico Julien Madeo de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos OIST.

“Ser capaces de visualizar las órbitas internas de las partículas a medida que forman partículas compuestas más grandes podría permitirnos comprender, medir y, en última instancia, controlar las partículas compuestas de formas sin precedentes. Esto podría permitirnos crear nuevos elementos cuánticos. Estados de materia y tecnología basada en estos conceptos “.

La investigación del equipo se ha publicado en Avances científicos.

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