Mi az az exiton?

Az exciton egy olyan kvázirészecske, amely egy pozitív töltésű elektronlyukból és a körülötte keringő negatív töltésű elektronból áll és a félvezető anyagok fontos részét képezi. Amikor a félvezető elnyeli a fényt alkotó fotonokat, ezek hatására az elektronok magasabb energiaállapotba kerülnek és elhagyják az eredeti helyüket. Ott, ahol az elektronok korábban tartózkodtak egy pozitív töltésű lyuk marad hátra, ami vonzza a körülötte lévő, negatív töltésű elektronokat. Ezek elkezdenek keringeni egymás körül: ezt a formációt hívjuk excitonnak.

A kvázirészecskék felépítésének és viselkedésének megértése fontos lehet nem csak tudományos, hanem gyakorlati szempontból is, mivel az excitonok a fő energia (töltés) szállítók a perovszkit napelemekben, ezért lényeges szerepük lehet a jövő energiaellátásának kivitelezésében. Ezek a struktúrák azonban nagyon könnyen felbomlanak, a pozitív és negatív töltés vonzza egymást és az elektron keringés közben visszaeshet a lyukba. Ez akár a szempillantásnál is sokkal gyorsabban, a másodperc néhány ezermilliárdod része alatt bekövetkezhet - írja az Okinawa Tudományos Műszaki Intézet közleményében Keshav Dani, a Femtosecond Spectroscopy Unit vezetője.

"A kutatók 90 éve fedezték fel az excitonokat, de egészen a közelmúltig csak az excitonok optikai nyomaihoz lehetett hozzáférni, mint például a fény, amelyet kibocsát, amikor megszűnik létezni.

A természetük más aspektusai, például az állapotuk vagy hogy hogyan kering az elektron és a lyuk egymás körül, csak elméletben volt leírható."

Az első felvétel

A kutatóknak most azonban sikerült lencsevégre kapni a kvázirészecskét, a Science Advancesban április 21-én tették közzé azt a tanulmányt, amelyben először látható erről a tünékeny struktúráról készített felvétel. Ehhez első lépésben egy kétdimenziós, néhány atom vastagságú félvezető anyagra lézerfényt irányítottak, hogy 'kiugrasszák' az elektronokat a helyükről és excitonokat generáljanak. Ezután fel kellett bontani a struktúrát, amit ultramagas energiájú fotonokkal sikerült kivitelezni. Az elektronok ekkor nem kerültek vissza a lyukba, hanem kirepültek a formációból az elektronmikroszkóp vákuum terébe, ahol már meg tudták mérni az energiájukat. Ebből pedig azt is ki lehet számítani, hogy milyen volt az állapota, mikor még a kvázirészecskéhez tartozott. A kutatók a részecskegyorsítókban zajló folyamatokhoz hasonlítják a kísérletet, mivel ott is azért ütköztetnek egymással részecskéket, hogy a mérések után tudjanak következtetni az eredeti szerkezetükre és jobban megértsék a viselkedésüket.

Valószínűségi felhő

A kép, ami végül az excitonról készült, nem az elektronok pontos helyét, hanem a valószínűségi felhőjét mutatja, mivel szubatomi szinten a kvantumfizika szabályai érvényesek, vagyis az elektronok helye és állapota nem mérhető egyszerre. A megfigyelt hullámfüggvényből viszont lehetett következtetni a valószínűsíthető tartózkodási helyükre. Most, hogy már vizualizáción is létezik az exciton, könnyebb lesz eljutni arra a pontra a kutatóknak, hogy már kontrollálni is tudják a részecskén belül zajló folyamatokat és a jövőben a gyakorlatban is felhasználják ezt a tudást.

"Ez lehetővé teszi, hogy az anyag új kvantumállapotait hozzuk létre és ezeken a koncepciókon alapuló új technológiát alkossunk."

- mondta Julien Madeo, a kutatás résztvevője.

(Fotó: OIST, Pixabay)

További cikkek a témában:

Egy új technológia elgördítheti az utolsó akadályt az olcsóbb és hatékony napelemek útjából A perovszkit-kristályos napelem rendkívül ígéretes technológia a napelemgyártásban, csak sajnos a perovszkit-kristály használhatatlan szobahőmérsékleten, valamint nagyobb páratartalom mellett – ezt oldották most meg.
A jövő memóriatárolása felé egy lépéssel - először figyelték meg hopfionok keletkezését A spintronika, a részecskék mágnesességét felhasználó technológia lehet a kulcs a nagyságrendekkel hatékonyabb memóriatárolás kifejlesztésében. De mi az a hopfion?
51 évnyi kutatás után, végre fülön csípték a bujkáló kvázirészecskét - magyar segítséggel Érted az elektronokat, tudod mikor érdemes egyenáramra váltani, a fúzió és a fisszió a passziód, a bájos kvarkok íze ott van a nyelved hegyén, oké. De vajon az excitonok is felizgatnak? Mert épp most nemrég, meglett egy újabb.