खोजे जाने के एक सदी बाद, मनुष्यों ने पहली बार एक्साइटॉन की इलेक्ट्रॉन कक्षीय छवि पर कब्जा कर लिया है

ओकिनावा इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी (ओआईएसटी) के शोधकर्ताओं ने टंगस्टन डिसेलेनाइड की एक परत में एक्साइटन द्वारा उत्सर्जित फोटोइलेक्ट्रॉनों के गति वितरण को मापा, और आंतरिक कक्षाओं या एक्सिटोन में कणों के स्थानिक वितरण को दर्शाने वाली छवियों को कैप्चर किया - यह यह है। एक ऐसा लक्ष्य जिसे लगभग एक सदी पहले एक्साइटन की खोज के बाद से वैज्ञानिक हासिल नहीं कर पाए हैं।

एक्सिटॉन अर्धचालकों में पाए जाने वाले पदार्थ की उत्तेजित अवस्था है-इस प्रकार की सामग्री कई आधुनिक तकनीकी उपकरणों, जैसे सौर सेल, एलईडी, लेजर और स्मार्टफोन की कुंजी है।

"एक्साइटॉन बहुत ही अनोखे और दिलचस्प कण हैं; वे विद्युत रूप से तटस्थ हैं, जिसका अर्थ है कि वे इलेक्ट्रॉनों जैसे अन्य कणों से बहुत अलग सामग्री में व्यवहार करते हैं। उनकी उपस्थिति वास्तव में सामग्री के प्रकाश पर प्रतिक्रिया करने के तरीके को बदल सकती है," कॉमन ने कहा डॉ। माइकल मैन, OIST के फेमटोसेकंड स्पेक्ट्रोस्कोपी ग्रुप के पहले लेखक और वैज्ञानिक। "यह काम हमें उत्तेजनाओं की प्रकृति को पूरी तरह से समझने के करीब लाता है।"

जब एक सेमीकंडक्टर फोटॉन को अवशोषित करता है तो एक्सिटॉन बनते हैं, जिससे नकारात्मक चार्ज किए गए इलेक्ट्रॉनों को निम्न ऊर्जा स्तर से उच्च ऊर्जा स्तर तक कूदने का कारण बनता है। यह निम्न ऊर्जा स्तरों पर धनावेशित रिक्तियों को छोड़ देता है, जिन्हें छिद्र कहते हैं। विपरीत रूप से आवेशित इलेक्ट्रॉन और छिद्र एक दूसरे को आकर्षित करते हैं, और वे एक दूसरे की परिक्रमा करने लगते हैं, जिससे एक्साइटन बनते हैं।

अर्धचालकों में एक्साइटन महत्वपूर्ण हैं, लेकिन अभी तक वैज्ञानिक उन्हें सीमित तरीके से ही पहचान और माप सकते हैं। एक समस्या उनकी नाजुकता में है - एक्साइटॉन को मुक्त इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों में तोड़ने में अपेक्षाकृत कम ऊर्जा लगती है। इसके अलावा, वे प्रकृति में क्षणभंगुर हैं - कुछ सामग्रियों में, उनके बनने के कुछ हज़ारवें समय के भीतर एक्साइटन बुझ जाएंगे, जिस समय उत्तेजित इलेक्ट्रॉन वापस छेद में "गिर" जाएंगे।

OIST के फेमटोसेकंड स्पेक्ट्रोस्कोपी समूह के वरिष्ठ लेखक और प्रमुख प्रोफेसर केशव दानी ने कहा, "वैज्ञानिकों ने पहली बार लगभग 90 साल पहले एक्साइटन्स की खोज की थी।" "लेकिन कुछ समय पहले तक, लोगों को आमतौर पर केवल एक्साइटॉन की ऑप्टिकल विशेषताएं मिलती थीं - उदाहरण के लिए, जब एक्साइटॉन गायब हो जाते हैं तो प्रकाश उत्सर्जित होता है। उनके गुणों के अन्य पहलू, जैसे कि उनकी गति, और इलेक्ट्रॉन और छेद एक दूसरे के साथ कैसे काम करते हैं, केवल हो सकते हैं सैद्धांतिक रूप से वर्णन से व्युत्पन्न।"

हालाँकि, दिसंबर 2020 में, OIST फेमटोसेकंड स्पेक्ट्रोस्कोपी ग्रुप के वैज्ञानिकों ने विज्ञान पत्रिका में एक पेपर प्रकाशित किया जिसमें एक्साइटन में इलेक्ट्रॉनों की गति को मापने के लिए एक क्रांतिकारी तकनीक का वर्णन किया गया था। अब, "साइंस एडवांस" के 21 अप्रैल के अंक में, टीम ने पहली बार छवियों को कैप्चर करने के लिए इस तकनीक का उपयोग किया जो एक्साइटन में छेद के आसपास इलेक्ट्रॉनों के वितरण को दर्शाती है।

शोधकर्ताओं ने पहले दो-आयामी अर्धचालक को लेजर दालों को भेजकर उत्तेजना उत्पन्न की- एक प्रकार की सामग्री जो हाल ही में खोजी गई है जो केवल कुछ परमाणु मोटी होती है और इसमें अधिक शक्तिशाली उत्तेजना होती है। एक्साइटन बनने के बाद, अनुसंधान दल ने एक्साइटन को विघटित करने के लिए अल्ट्रा-हाई एनर्जी फोटॉन के साथ एक लेजर बीम का उपयोग किया और इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप में सामग्री से सीधे वैक्यूम स्पेस में इलेक्ट्रॉनों को किक किया। इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप सामग्री से बाहर निकलने पर इलेक्ट्रॉनों के कोण और ऊर्जा को मापता है। इस जानकारी से, वैज्ञानिक प्रारंभिक गति निर्धारित कर सकते हैं जब इलेक्ट्रॉन एक्साइटन में छिद्रों के साथ जुड़ते हैं।

"इस तकनीक में उच्च ऊर्जा भौतिकी में कोलाइडर प्रयोग के साथ कुछ समानताएं हैं। कोलाइडर में, कणों को मजबूत ऊर्जा द्वारा एक साथ तोड़ दिया जाता है, उन्हें तोड़ दिया जाता है। टक्कर प्रक्षेपवक्र में उत्पादित छोटे आंतरिक कणों को मापकर, वैज्ञानिक टुकड़े करना शुरू कर सकते हैं एक साथ मूल पूर्ण कण की आंतरिक संरचना," प्रोफेसर दानी ने कहा। "यहाँ, हम कुछ ऐसा ही कर रहे हैं - हम एक्साइटन को तोड़ने के लिए अत्यधिक पराबैंगनी प्रकाश फोटॉन का उपयोग कर रहे हैं, और अंदर क्या है इसका वर्णन करने के लिए इलेक्ट्रॉनों के प्रक्षेपवक्र को माप रहे हैं।"

"यह एक साधारण उपलब्धि नहीं है," प्रोफेसर दानी ने जारी रखा। "माप बहुत सावधानी से किया जाना चाहिए- कम तापमान और कम तीव्रता पर उत्तेजनाओं को गर्म करने से बचने के लिए। एक छवि प्राप्त करने में कुछ दिन लगे। अंत में, टीम ने सफलतापूर्वक एक्साइटन्स के तरंग कार्य को मापा, और इसने दिया संभावना है कि इलेक्ट्रॉन छेद के आसपास स्थित हो सकता है।

"यह काम इस क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण प्रगति है," अध्ययन के पहले लेखक और ओआईएसटी के फेमटोसेकंड स्पेक्ट्रोस्कोपी समूह में एक वैज्ञानिक डॉ। जूलियन मेडो ने कहा। "कणों की आंतरिक कक्षाओं को नेत्रहीन रूप से देखने की क्षमता, क्योंकि वे बड़े मिश्रित कण बनाते हैं, जो हमें मिश्रित कणों को एक अभूतपूर्व तरीके से समझने, मापने और अंततः नियंत्रित करने की अनुमति देता है। यह हमें इन अवधारणाओं के आधार पर नए बनाने की अनुमति देता है। क्वांटम पदार्थ और प्रौद्योगिकी की स्थिति।"