Los excitones son cuasi-partículas correspondientes a estados excitados de la materia. Están formados en materiales semiconductores, utilizados en muchas aplicaciones industriales, como paneles solares o teléfonos inteligentes. Por primera vez en el mundo, los científicos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) pudieron calcular el impulso de los electrones, un parámetro que caracteriza su rotación dentro de estos estados excitados, y transcribirlos en imágenes. Los resultados de su estudio fueron publicados en la revista Avances en la ciencia 21 de abril de 2021.
Semiconductores interiores
Ni conductores ni aislantes, los semiconductores son materiales que tienen una función particular a nivel subatómico: en un conductor, los electrones de los átomos son libres de moverse a través del material y, por tanto, de crear una corriente eléctrica. En un aislante, es todo lo contrario, quedan atrapados en su átomo. En un semiconductor, es indiferente: aislar en tiempos “normales”, pero incluso con una entrada de energía baja, algunos de los electrones se liberan parcialmente y pueden conducir corriente eléctrica.
Al iluminar un material semiconductor, los fotones, partículas que componen la luz, son absorbidos por electrones, que aumentan su energía, pasando de un nivel bajo (estable) a un nivel alto (excitado). Esta entrada de energía les permitirá liberarse parcialmente de las garras de su átomo original, dejando un déficit de carga negativa, llamado “agujero”.
“Cuasi-partículas”
Descubierto en 1931, pero nunca observado directamente hasta ahora, el término “excitón” designa un estado excitado de la materia, en el caso de los semiconductores, un par electrón-hueco. Este par está modelado por dos “partículas”: un electrón cargado negativamente y un orificio cargado positivamente, que es más estrictamente un “espacio” cargado positivamente. Este par de partículas entra en órbita tan pronto como el electrón entra en un estado excitado, pero por muy poco tiempo, lo que complica cualquier medición. Luego, el electrón regresa a su lugar original dentro del átomo, emitiendo un fotón, o se escapa completamente del átomo. De hecho, incluso con una pequeña entrada de energía, una vez que se crea el excitón, se desintegra de una forma u otra.
Crédito: OIST
“Los científicos descubrieron las excitonas hace unos 90 años”dice el profesor Keshav Dani, autor principal y jefe de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos en OIST. “Pero hasta hace muy poco, solo se podía acceder a la firma óptica de los electrones, la luz emitida cuando el excitón desaparece. Otros aspectos sobre ellos, como su tiempo, o cómo el electrón y la órbita del agujero, solo se describieron teóricamente. . “
“Los excitones son partículas únicas: son eléctricamente neutrales, lo que significa que se comportan de manera diferente a los electrones en la materia. Su presencia puede cambiar la forma en que un material responde a la luz”. explica el Dr. Michael Man, co-primer autor y científico de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos de OIST. “Este trabajo nos acerca a una comprensión completa de la naturaleza de los excitones. “
Mide la probabilidad de la presencia del electrón.
El 21 de abril de 2021, el equipo publicó un estudio en la revista Science Advances, una técnica para medir el impulso de los electrones dentro de los excitones. Para lograr este resultado, el equipo primero creó excitones usando un pulso de láser dentro de un material semiconductor bidimensional, es decir, con un grosor de solo unos pocos átomos.
Tan pronto como se forman los excitones, los investigadores envían un rayo láser que contiene fotones de energía extremadamente alta, que separan los huecos de los electrones y los expulsan del material. Un microscopio electrónico colocado justo encima del material mide el ángulo y la energía de los electrones a medida que salen, y con esta información es posible reconstruir el momento inicial del electrón cuando todavía estaba relacionado con el agujero dentro del excitón.
Crédito: OIST
“No fue una tarea fácil”, concluye el profesor Dani. “Las mediciones se tuvieron que hacer con sumo cuidado, a baja temperatura y baja intensidad para no calentar los electrones, nos tomó varios días adquirir una sola imagen”. Finalmente, el equipo midió la función de onda del excitón, lo que proporciona acceso a las probabilidades de presencia del electrón alrededor del agujero.
La nube de probabilidad de la presencia del electrón. Crédito: OIST
Esto se debe a que los electrones son ondas y partículas, la física cuántica establece que es imposible conocer su ubicación exacta, solo se puede calcular una distribución de probabilidad de presencia, como se muestra arriba. “Estas obras representan enormes avances en física”dice Julien Madeo, coautor e investigador de la unidad de espectroscopía de femtosegundos del OIST. “Ser capaces de visualizar las órbitas internas de partículas pertenecientes a partículas compuestas podría permitirnos comprender, medir y controlar mejor estas partículas compuestas. Esto podría permitirnos crear nuevos estados cuánticos de la materia y tecnologías basadas en ellas. Conceptos”.
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