ओकिनावा इन्स्टिट्यूट ऑफ सायन्स अँड टेक्नॉलॉजी (OIST) मधील संशोधकांनी टंगस्टन डिसेलेनाइडच्या एका थरामध्ये उत्सर्जित केलेल्या फोटोइलेक्ट्रॉनच्या उत्सर्जित होणार्‍या फोटोइलेक्ट्रॉनच्या गतीचे वितरण मोजले आणि एक्सिटॉन्समधील कणांचे अंतर्गत कक्षा किंवा अवकाशीय वितरण दर्शविणारी प्रतिमा कॅप्चर केली. जवळपास एक शतकापूर्वी एक्सिटॉनचा शोध लागल्यापासून शास्त्रज्ञ साध्य करू शकलेले नाहीत.
एक्सिटॉन्स ही सेमीकंडक्टरमध्ये आढळणारी पदार्थाची उत्तेजित अवस्था आहे - या प्रकारची सामग्री सौर पेशी, LEDs, लेसर आणि स्मार्टफोन यांसारख्या अनेक आधुनिक तांत्रिक उपकरणांची गुरुकिल्ली आहे.
"एक्सिटॉन्स हे अतिशय अद्वितीय आणि मनोरंजक कण आहेत; ते विद्युतदृष्ट्या तटस्थ असतात, याचा अर्थ ते पदार्थांमध्ये इलेक्ट्रॉनसारख्या इतर कणांपेक्षा खूप वेगळ्या पद्धतीने वागतात. त्यांच्या उपस्थितीमुळे सामग्रीची प्रकाशावर प्रतिक्रिया देण्याची पद्धत खरोखरच बदलू शकते," कॉमन म्हणाले डॉ. मायकेल मॅन, OIST च्या Femtosecond Spectroscopy Group मधील पहिले लेखक आणि शास्त्रज्ञ. "हे कार्य आम्हाला एक्सिटॉन्सचे स्वरूप पूर्णपणे समजून घेण्याच्या जवळ आणते."
जेव्हा सेमीकंडक्टर फोटॉन शोषून घेतो तेव्हा एक्सिटॉन्स तयार होतात, ज्यामुळे नकारात्मक चार्ज केलेले इलेक्ट्रॉन कमी उर्जेच्या पातळीपासून उच्च उर्जेच्या पातळीवर जातात. यामुळे कमी उर्जा स्तरावर सकारात्मक चार्ज झालेल्या रिक्त जागा सोडल्या जातात, ज्याला छिद्र म्हणतात. उलट चार्ज केलेले इलेक्ट्रॉन आणि छिद्र एकमेकांना आकर्षित करतात आणि ते एकमेकांच्या भोवती फिरू लागतात, ज्यामुळे एक्सिटॉन्स तयार होतात.
सेमीकंडक्टरमध्ये एक्सिटॉन्स अत्यावश्यक आहेत, परंतु आतापर्यंत, शास्त्रज्ञ केवळ मर्यादित मार्गाने त्यांचा शोध आणि मोजमाप करू शकतात. एक समस्या त्यांच्या नाजूकपणामध्ये आहे - एक्सिटॉन्सचे मुक्त इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रांमध्ये विभाजन करण्यासाठी तुलनेने कमी ऊर्जा लागते. याव्यतिरिक्त, ते निसर्गात क्षणभंगुर आहेत-काही पदार्थांमध्ये, एक्सिटॉन्स तयार झाल्यानंतर काही हजारव्या वेळेत ते विझले जातील, त्या वेळी उत्तेजित इलेक्ट्रॉन पुन्हा छिद्रात "पडतील".
"वैज्ञानिकांनी 90 वर्षांपूर्वी प्रथम एक्सिटॉन्स शोधले," असे प्राध्यापक केशव दाणी म्हणाले, वरिष्ठ लेखक आणि OIST च्या फेमटोसेकंड स्पेक्ट्रोस्कोपी गटाचे प्रमुख. "परंतु अलीकडे पर्यंत, लोकांना सहसा केवळ एक्सिटॉन्सची ऑप्टिकल वैशिष्ट्ये मिळतात--उदाहरणार्थ, एक्सिटॉन्स अदृश्य झाल्यावर उत्सर्जित होणारा प्रकाश. त्यांच्या गुणधर्मांचे इतर पैलू, जसे की त्यांचा संवेग, आणि इलेक्ट्रॉन आणि छिद्र एकमेकांशी कसे कार्य करतात, हे केवळ असू शकते सैद्धांतिकरित्या वर्णन करा पासून व्युत्पन्न."
तथापि, डिसेंबर 2020 मध्ये, OIST Femtosecond Spectroscopy Group च्या शास्त्रज्ञांनी जर्नल सायन्समध्ये एक पेपर प्रकाशित केला ज्यामध्ये एक्सिटॉन्समधील इलेक्ट्रॉनची गती मोजण्यासाठी क्रांतिकारक तंत्राचे वर्णन केले आहे. आता, "सायन्स अॅडव्हान्सेस" च्या 21 एप्रिलच्या अंकात, टीमने एक्सिटॉन्समधील छिद्रांभोवती इलेक्ट्रॉनचे वितरण दर्शविणारी प्रतिमा प्रथमच कॅप्चर करण्यासाठी या तंत्रज्ञानाचा वापर केला.
संशोधकांनी प्रथम द्विमितीय सेमीकंडक्टरला लेसर पल्स पाठवून एक्सिटॉन्स तयार केले - अलीकडेच सापडलेल्या एक प्रकारची सामग्री जी फक्त काही अणूंची जाडी आहे आणि त्यात अधिक शक्तिशाली एक्सिटॉन्स आहेत. एक्सिटॉन्स तयार झाल्यानंतर, एक्सिटॉन्सचे विघटन करण्यासाठी आणि इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपमधील व्हॅक्यूम स्पेसमध्ये थेट इलेक्ट्रॉन्सना बाहेर काढण्यासाठी अल्ट्रा-हाय एनर्जी फोटॉनसह लेसर बीमचा वापर केला. इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोप इलेक्ट्रॉन्सचे कोन आणि उर्जा मोजते कारण ते पदार्थातून बाहेर पडतात. या माहितीवरून, शास्त्रज्ञ जेव्हा एक्सिटॉन्समधील छिद्रांसह इलेक्ट्रॉन एकत्र होतात तेव्हा प्रारंभिक गती निर्धारित करू शकतात.
"या तंत्रज्ञानामध्ये उच्च-ऊर्जा भौतिकशास्त्रातील कोलायडर प्रयोगाशी काही साम्य आहे. कोलायडरमध्ये, कण मजबूत उर्जेने एकमेकांशी तोडले जातात, त्यांचे तुकडे करतात. टक्कर ट्रॅजेक्टोरीमध्ये निर्माण झालेल्या लहान अंतर्गत कणांचे मोजमाप करून, शास्त्रज्ञ तुकडे करणे सुरू करू शकतात. मूळ पूर्ण कणाची अंतर्गत रचना एकत्रितपणे, "प्राध्यापक दानी म्हणाले. "येथे, आम्ही असेच काहीतरी करत आहोत - आम्ही एक्सिटॉन्स तोडण्यासाठी अत्यंत अल्ट्राव्हायोलेट प्रकाश फोटॉन वापरत आहोत आणि आत काय आहे ते वर्णन करण्यासाठी इलेक्ट्रॉनच्या प्रक्षेपण मोजत आहोत."
"हा एक साधा पराक्रम नाही," प्रोफेसर दानी पुढे म्हणाले. "मापन अत्यंत काळजीपूर्वक केले पाहिजे - एक्सिटॉन गरम होऊ नये म्हणून कमी तापमानात आणि कमी तीव्रतेवर. प्रतिमा मिळविण्यासाठी काही दिवस लागले. शेवटी, टीमने एक्सिटॉन्सच्या वेव्ह फंक्शनचे यशस्वीरित्या मोजमाप केले आणि त्यामुळे इलेक्ट्रॉन भोकाभोवती स्थित असण्याची शक्यता.
"हे काम या क्षेत्रातील एक महत्त्वाची प्रगती आहे," डॉ. ज्युलियन मॅडियो, अभ्यासाचे पहिले लेखक आणि OIST च्या Femtosecond Spectroscopy Group मधील शास्त्रज्ञ म्हणाले. "कणांच्या अंतर्गत कक्षा दृष्यदृष्ट्या पाहण्याची क्षमता, कारण ते मोठे संमिश्र कण बनवतात, ज्यामुळे आम्हाला संमिश्र कणांना अभूतपूर्व पद्धतीने समजून घेता येते, मोजता येते आणि शेवटी नियंत्रित करता येते. हे आम्हाला या संकल्पनांवर आधारित नवीन तयार करण्यास अनुमती देते. क्वांटम पदार्थ आणि तंत्रज्ञानाची स्थिती."
कॉपीराइट @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - China Fiber Optic Modules, Fiber Coupled Lasers Manufacturers, Laser Components Suppliers सर्व हक्क राखीव.
