Иллюстрация от: M.K.L. Man et al / Science. Физики осуществили визуализацию волновых функций экситонов в монослое диселенида вольфрама посредством измерения импульсов выбитых из материала электронов. Для определения импульсов использовалась фотоэлектронная спектроскопия с угловым и временным разрешением. Результаты полного исследования опубликованы в журнале Science Advances, а также доступен препринт работы. Экситонами принято называть связанные состояния электронов и дырок (незаполненных вакансий в спектре электронных состояний кристалла), которые можно интерпретировать как квазичастицы. Экситон представляет собой корреляцию между возбужденным светом электроном, перешедшим из валентной зоны в зону проводимости, и оставшейся дыркой в валентной зоне. Изучение экситонов играет важную роль в исследовании различных физических явлений, таких как бозе-конденсация, топологические изоляторы и сверхтекучесть. Взаимодействие между электроном и дыркой аналогично взаимодействию между ядром и электроном в атоме.
В частности, волновые функции частиц в экситоне демонстрируют те же угловые зависимости, что и волновые функции электронов в атомах. Однако, несмотря на многолетнюю историю экспериментального исследования экситонов методами спектроскопии, сканирующей туннельной микроскопии и электронной микроскопии, физикам не удавалось измерить их волновые функции ни в координатном, ни в импульсном представлениях.
Коллаборация физиков из Японии, Индии и США под руководством Кешав Дани (Keshav Dani) из Окинавского института науки и технологий попробовала визуализировать волновую функцию электронов, формирующих экситон, измеряя свойства электронов, выбиваемых импульсом света в диапазоне экстремального ультрафиолета с энергией фотонов, равной 21,7 электрон-вольт. Для этого ученые нанесли монослой диселенида вольфрама на тонкий буферный слой гексагонального нитрида бора, который находился на кремниевой подложке. Все операции с полученной структурой проводились при температуре 90 кельвинов.
Прежде чем возбуждать в диселениде вольфрама экситоны, авторы исследовали его зонную структуру и дисперсионные соотношения (то есть зависимость энергии электрона от его импульса). Для этого они выбивали излучением электроны из валентной зоны и определяли их энергию и импульс с помощью техники фотоэлектронной спектроскопии с угловым и временным разрешением. Полученные данные подтвердились численными расчетами.
Затем физики облучали структуру фотонами с энергией 1,72 электрон-вольт, что приводило к резонансному возбуждению A-экситонов. Спустя некоторое время такой экситон распадался на один из трех экситонов другого типа, которые уже измерялись с помощью фотоионизации и последующей фотоэлектронной спектроскопии.
Вероятность встретить в спектрометре электрон с тем или иным импульсом связана с вероятностным распределением по импульсам экситонного электрона. Это означает, что, считая число электронов, пойманных с некоторым импульсом, можно сделать вывод об абсолютном квадрате волновой функции в импульсном представлении. Из нее, в свою очередь, с помощью преобразования Фурье можно рассчитать волновую функцию в координатном представлении, которая описывает плотность вероятности встретить частицу в пространстве и потому позволяет оценить размеры экситона.
Эту идею реализовали авторы работы. В результате эксперимента они смогли восстановить волновую функцию электрона в обратном и прямом пространствах, а также сравнить ее с расчетами. Оказалось, что распределение вероятности встретить электрон простирается на несколько десятков элементарных ячеей монослоя.
Абсолютный квадрат волновой функции электрона в обратном пространстве, восстановленный из измерения импульсов фотоэлектронов (A) и рассчитанный численно (B). (С) Волновая функция в координатном представлении, наложенная на решетку диселенида вольфрама. M.K.L. Man et al / Science
Кроме этого, по измерению времени пролета электрона в детекторе физики восстановили дисперсионные соотношения электрона в экситоне. Они выяснили, что связь энергии с импульсом связанных электронов очень похожа на таковую у электронов в валентной зоне. Последняя была измерена и рассчитана в самом начале эксперимента. Обе дисперсионные зависимости убывают с ростом импульса.
Дисперсионные соотношения электронов в валентной зоне (синий), в экситоне (желтый) и в зоне проводимости (красный). В последнем случае зависимость теоретическая. M.K.L. Man et al / Science
Авторы надеются, что развитая ими методика позволит изучать другие типы экситонов, а также более сложные связанные состояния, например, трионы и биэкситоны. Физики ожидают, что подобные эксперименты можно будет провести в большом количестве других кристаллов помимо диселенида вольфрама, а также что разрешающей способности установки хватит, чтобы в принципе изучать когерентную динамику возбуждений в твердых телах.
Ученым удается визуализировать волновые функции у все большего числа объектов. Ранее мы рассказывали, как это удалось сделать для состояний квантовых точек на поверхности бислоя графена и для димера гелия.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
