Les excitons ne sont techniquement pas des particules, mais des quasiparticules (quasi- signifiant "presque" en latin). Ils sont formés par l'attraction électrostatique entre excités, électrons chargés négativement, et des trous chargés positivement. Les trous sont des espaces laissés par les électrons excités et sont eux-mêmes un type de quasiparticule. Crédit :OIST
Dans une première mondiale, des chercheurs de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ont capturé une image montrant les orbites internes, ou distribution spatiale, de particules dans un exciton, un objectif qui avait échappé aux scientifiques pendant près d'un siècle. Leurs conclusions sont publiées dans Avancées scientifiques .
Les excitons sont des états excités de la matière trouvés dans les semi-conducteurs, une classe de matériaux qui sont la clé de nombreux dispositifs technologiques modernes, comme les cellules solaires, LED, lasers et smartphones.
« Les excitons sont des particules vraiment uniques et intéressantes ; elles sont électriquement neutres, ce qui signifie qu'elles se comportent très différemment dans les matériaux par rapport aux autres particules comme les électrons. Leur présence peut vraiment changer la façon dont un matériau réagit à la lumière, " a déclaré le Dr Michael Man, co-premier auteur et membre du personnel scientifique de l'unité de spectroscopie femtoseconde de l'OIST. "Ce travail nous rapproche de la pleine compréhension de la nature des excitons."
Les excitons se forment lorsque les semi-conducteurs absorbent des photons de lumière, ce qui fait que les électrons chargés négativement passent d'un niveau d'énergie inférieur à un niveau d'énergie plus élevé. Cela laisse des espaces vides chargés positivement, appelés trous, dans le niveau d'énergie inférieur. Les électrons et les trous de charge opposée s'attirent et ils commencent à orbiter les uns autour des autres, ce qui crée les excitons.
Les excitons sont d'une importance cruciale dans les semi-conducteurs, mais si loin, les scientifiques n'ont pu les détecter et les mesurer que de manière limitée. L'un des problèmes réside dans leur fragilité :il faut relativement peu d'énergie pour séparer l'exciton en électrons libres et en trous. Par ailleurs, ils sont de nature éphémère - dans certains matériaux, les excitons s'éteignent en quelques millièmes de milliardième de seconde environ après leur formation, lorsque les électrons excités "retombent" dans les trous.
L'instrument utilise une impulsion de pompe initiale de lumière pour exciter les électrons et générer des excitons. Ceci est rapidement suivi d'une deuxième impulsion de lumière qui a utilisé des photons ultraviolets extrêmes pour expulser les électrons des excitons hors du matériau et dans le vide d'un microscope électronique. Le microscope électronique mesure ensuite l'énergie et l'angle que les électrons ont quitté le matériau pour déterminer la quantité de mouvement de l'électron autour du trou dans l'exciton. Crédit :OIST
"Les scientifiques ont découvert les excitons il y a environ 90 ans, " a déclaré le professeur Keshav Dani, auteur principal et chef de l'unité de spectroscopie femtoseconde à l'OIST. "Mais jusqu'à tout récemment, on ne pouvait généralement accéder qu'aux signatures optiques des excitons - par exemple, la lumière émise par un exciton lorsqu'il est éteint. D'autres aspects de leur nature, comme leur élan, et comment l'électron et le trou orbitent l'un autour de l'autre, ne pouvait être décrit que théoriquement.
Cependant, en décembre 2020, scientifiques de l'unité de spectroscopie femtoseconde de l'OIST ont publié un article en Science décrivant une technique révolutionnaire pour mesurer la quantité de mouvement des électrons dans les excitons.
Maintenant, rapport dans Avancées scientifiques , l'équipe a utilisé cette technique pour capturer la toute première image montrant la distribution d'un électron autour du trou à l'intérieur d'un exciton.
Les chercheurs ont d'abord généré des excitons en envoyant une impulsion laser de lumière sur un semi-conducteur bidimensionnel, une classe de matériaux récemment découverts qui n'ont que quelques atomes d'épaisseur et abritent des excitons plus robustes.
Après la formation des excitons, l'équipe a utilisé un faisceau laser avec des photons à ultra haute énergie pour séparer les excitons et expulser les électrons du matériau, dans l'espace vide d'un microscope électronique.
Dans la physique du tout petit, d'étranges concepts quantiques s'appliquent. Les électrons agissent à la fois comme des particules et des ondes et il est donc impossible de connaître à la fois la position et la quantité de mouvement d'un électron. Au lieu, un nuage de probabilité d'exciton montre où l'électron est le plus susceptible de se trouver autour du trou. L'équipe de recherche a généré une image du nuage de probabilité de l'exciton en mesurant la fonction d'onde. Crédit :OIST
Le microscope électronique mesurait l'angle et l'énergie des électrons lorsqu'ils sortaient du matériau. A partir de ces informations, les scientifiques ont pu déterminer la quantité de mouvement initiale de l'électron lorsqu'il était lié à un trou dans l'exciton.
"La technique présente certaines similitudes avec les expériences de collisionneur de physique des hautes énergies, où les particules sont écrasées avec des quantités intenses d'énergie, les ouvrir. En mesurant les trajectoires des plus petites particules internes produites lors de la collision, les scientifiques peuvent commencer à reconstituer la structure interne des particules intactes d'origine, " dit le professeur Dani. " Tiens, nous faisons quelque chose de similaire :nous utilisons des photons de lumière ultraviolette extrême pour séparer les excitons et mesurer les trajectoires des électrons pour imaginer ce qu'il y a à l'intérieur. »
"Ce n'était pas une mince affaire, " a poursuivi le professeur Dani. " Les mesures ont dû être faites avec une extrême prudence - à basse température et à faible intensité pour éviter d'échauffer les excitons. Il a fallu quelques jours pour acquérir une seule image."
Finalement, l'équipe a réussi à mesurer la fonction d'onde de l'exciton, qui donne la probabilité de l'endroit où l'électron est susceptible de se trouver autour du trou.
« Ce travail est une avancée importante dans le domaine, " a déclaré le Dr Julien Madeo, co-premier auteur et membre du personnel scientifique de l'unité de spectroscopie femtoseconde de l'OIST. "Être capable de visualiser les orbites internes des particules lorsqu'elles forment des particules composites plus grosses pourrait nous permettre de comprendre, mesurer et finalement contrôler les particules composites de manière sans précédent. Cela pourrait nous permettre de créer de nouveaux états quantiques de la matière et de la technologie basés sur ces concepts. »
