科学探索|斯坦福大学科学家首次制作出难以捉摸的准粒子的完整图片斯坦福大学科学家首次制作出

研究人员报告说，他们首次对激子的电子和空穴进行了成像，揭示了激子如何可能被困于密集、稳定的阵列中。据科学家们说，这一发现对未来各种技术的发展以及对更好地理解激子的探索具有重大意义。
这些发现于2022年3月8日发表在《自然》杂志上，研究人员来自美国能源部的SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学和日本冲绳科学技术研究所（OIST）。当光与物质相互作用时，无论是在光伏设备中吸收光以产生太阳能，还是在LED中从电力中产生光，激子可以发挥重要的作用。无论是对于基本的理解还是对于新技术的开发，例如量子信息科学的单光子发射器，我们都需要对激子的性质和属性有一个全面的了解。

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当光线照射到薄薄的半导体材料上时，激子就会产生。这导致电子从它们在原子中的正常位置被弹出，产生被称为"洞"的空位，这些空位以与电子相同的方式在材料中流动。当一个电子和一个空穴形成一个短暂的结合时，就会形成一个激子。电子和空穴相互旋转，就像舞者牵手一样，它们以这种方式继续下去，直到电子落回空穴中。

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【科学探索|斯坦福大学科学家首次制作出难以捉摸的准粒子的完整图片】然而，由于激子的寿命很短，只有十亿分之一秒--对它们的研究已经停滞。激子在一起的时间越长，科学家就能从它们身上学到更多的东西，它们就会变得更加有用。现在，联合团队宣布，他们获得了第一张显示电子如何相对于激子中的空穴分布的图像。

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在这项最新的研究中，该团队研究了在两种不同半导体的原子级薄膜的界面上发展的激子。这是一个令人兴奋的前沿领域，因为这些激子可能比单层中的激子持续时间长一千到一百万倍。首先，他们首次测量了激子空穴的大小，这是一个真正的挑战，因为空穴是电子的缺失，不是一个真正的粒子，而且它本身不发射任何信号。研究人员能够通过它们在实验数据中留下的独特的空隙来识别空穴，这使研究人员能够更全面地了解电子在空穴周围的运动和整个激子的运动。

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然后，他们着手通过将两种不同的半导体薄膜以微小的角度分层来捕获激子，从而在原子尺度上创造出摩尔纹图案。摩尔纹图案中的每个孔都是一种能量井，可以吸引和容纳一个激子，而材料的设计使这些能量井与激子一样大，甚至略小。
当他们用tr-ARPES观察摩尔纹结构，看激子是否以及如何融入其中时，他们发现每个激子都紧紧地坐在它的井中，就像一个被发球机夹住的高尔夫球。这是出乎意料的，因为以前认为需要更大的井来捕获激子，但更小的井是首选，因为它们更稳定，形成更均匀的阵列。
有了这种对激子等复合粒子进行全面成像的新能力，研究人员可以继续探索更复杂的电子和空穴排列，这将阐明二维和其他量子材料中多粒子相互作用的性质。