بعد ما يقرب من قرن من التحقيق في طبيعة الأجسام الصغيرة سريعة الزوال التي تسمى الإكسيتونات ، تمكن الباحثون أخيرًا من تصوير الهيكل ، ملمحين إلى الموقع الحقيقي للإلكترون. يمكن أن تساعد النتائج علماء الفيزياء في النهاية على إنشاء حالات جديدة للمادة أو تقنيات كمومية جديدة.
تحدث الإكسيتونات داخل أشباه الموصلات ومواد أخرى مثل العوازل. عندما يمتص أحد أشباه الموصلات الفوتونات أو جزيئات الضوء ، فإنه يتسبب في قفز الإلكترونات إلى مستويات طاقة أعلى ، تاركًا ثقوبًا موجبة الشحنة في مكانها. تدور الإلكترونات والثقوب حول بعضها البعض ، وتشكل إكسايتون – بشكل أساسي النظام الكامل للإلكترون والفتحة. لأن الإلكترون له شحنة سالبة والثقب شحنة موجبة ، يكون الإكسيتون نفسه محايدًا. تكون الإكسايتونات مؤقتة ، حيث تنجذب الإلكترونات دائمًا إلى ثقوبها. عندما تعود الإلكترونات إلى الداخل ، فإنها تصدر فوتونًا.
قال المؤلف المشارك كيشاف داني ، رئيس وحدة التحليل الطيفي الفيمتو ثانية في معهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا ، في إحدى الجامعات: “اكتشف العلماء الإكسيتونات لأول مرة منذ حوالي 90 عامًا”. خبر صحفى. “ولكن حتى وقت قريب جدًا ، كان بإمكان المرء عمومًا الوصول فقط إلى التوقيعات الضوئية للإكسايتونات – على سبيل المثال ، الضوء المنبعث من الإكسايتون عند إخماده. جوانب أخرى من طبيعتها ، مثل الزخم ، وكيف يدور الإلكترون والثقب حول بعضهما البعض ، لا يمكن وصفها إلا نظريًا “.
نظرًا لأن الإلكترونات تعمل كجسيمات وموجات ، فلا يمكن تحديد موقعها وزخمها في وقت واحد. “السحابة الاحتمالية” للإكسيتون – مجال التأثير الذي يشكله – هي أفضل مؤشر على المكان الذي قد يكمن فيه الإلكترون حول الثقب.
كان الباحثون يحاولون رسم خريطة لوظائف موجة الإكسيتونات ، والتي ستحدد بشكل مباشر شكل وحجم الهيكل. يأتي العمل في أعقاب الحديث ابحاث من قبل نفس الفريق ، الذي وصف طريقة لاكتشاف زخم الإكسيتون. للعمل الحالي ، نشرت اليوم في مجلة Science Advances ، أطلق الفريق ضوءًا من الليزر على أشباه الموصلات ، محفزًا امتصاص الفوتونات. كان أشباه الموصلات نحيفًا للغاية – وهو عبارة عن رقاقة ثنائية الأبعاد من المادة بسماكة بضع ذرات فقط.
عندما تشكلت الإكسيتونات ، قام الفريق بعد ذلك بتفكيكها بفوتونات عالية الطاقة ، مما أدى إلى تفجير الإلكترونات بعيدًا. استخدموا المجهر الإلكتروني لرسم خريطة لخروج الإلكترونات.
قال داني: “لهذه التقنية بعض أوجه التشابه مع تجارب المصادم لفيزياء الطاقة العالية ، حيث يتم تحطيم الجسيمات معًا بكميات مكثفة من الطاقة ، مما يؤدي إلى تكسيرها”. “هنا ، نقوم بشيء مماثل – نحن نستخدم فوتونات الأشعة فوق البنفسجية الشديدة لتفكيك الإكسيتونات وقياس مسارات الإلكترونات لتصوير ما بداخلها.”
من خلال قياس كيفية مغادرة الإلكترونات لأشباه الموصلات ، يمكن للباحثين تجميع مواقع وأشكال وأحجام الإكسيتونات معًا. تبدو الصورة في الجزء العلوي من هذا المقال شبيهة قليلاً بالشمس في سماء صافية ، لكنها تصور السحابة الاحتمالية للإكسيتون ؛ بعبارة أخرى ، المساحات التي من المرجح أن يتحرك فيها الإلكترون حول الفتحة التي خلفها وراءه.
قال المؤلف الرئيسي جوليان مايدو ، وهو عالم عامل في وحدة التحليل الطيفي الفيمتو ثانية OIST ، في إصدار OIST: “يعد هذا العمل تقدمًا مهمًا في هذا المجال”. “القدرة على تصور المدارات الداخلية للجسيمات لأنها تشكل جسيمات مركبة أكبر يمكن أن تسمح لنا بفهم وقياس والتحكم في النهاية في الجسيمات المركبة بطرق غير مسبوقة. قد يسمح لنا هذا بإنشاء حالات كمية جديدة للمادة والتكنولوجيا بناءً على هذه المفاهيم “.
ما هو الهدف على خلفية قرص العسل بالنسبة لك وأنا نعمة للعلماء المتحمسين لمعرفة المزيد عن فيزياء الكم التي تلعبها في أشباه الموصلات ، وربما تحسين تصميمات مثل هذه التقنيات في المستقبل. الآن بعد ما يقرب من قرن من الزمن منذ أول توقع للإكسايتون في عام 1931 ، اقتربنا من تصوير كيف يتجلى التركيب دون الذري بالفعل. يجب أن تحدث الملاحظات في حالات شديدة البرودة ، على الرغم من ارتفاع درجة الحرارة هذه قبل بضعة سنوات. توصلنا الإثارات الموصوفة حديثًا إلى فهم أكثر اكتمالًا لميكانيكا الكم هذه – وسوف تتكشف المزيد من التطورات بالتأكيد بحلول الوقت الذي يصل فيه الإكسايتون إلى الذكرى المئوية له.
أكثر: يكتشف الفيزيائيون Odderon بعيد المنال ، تم التنبؤ به لأول مرة منذ 50 عامًا