Pela primeira vez no mundo, pesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia da Universidade de Pós-Graduação (OIST) de Okinawa capturaram uma imagem que mostra as órbitas internas, ou distribuição espacial, de partículas em um exciton – um objetivo que escapou aos cientistas por quase um século. Suas descobertas foram publicadas na Science Advances.
Excitons são estados excitados da matéria encontrados nos semicondutores – uma classe de materiais que são essenciais para muitos dispositivos tecnológicos modernos, como células solares, LEDs, lasers e smartphones.
“Excitons são partículas realmente únicas e interessantes; eles são eletricamente neutros, o que significa que se comportam de maneira muito diferente em materiais de outras partículas, como elétrons. Sua presença pode realmente mudar a maneira como um material responde à luz”, disse o Dr. Michael Man, co-primeiro autor e cientista da equipe da Unidade de Espectroscopia de Femtosegundo OIST. “Este trabalho nos aproxima de uma compreensão completa da natureza dos excitons.”
Excitons são formados quando semicondutores absorvem fótons de luz, o que faz com que elétrons carregados negativamente saltem de um nível de energia mais baixo para um nível de energia mais alto. Isso deixa para trás espaços vazios carregados positivamente, chamados buracos, no nível de energia inferior. Os elétrons e buracos de carga oposta se atraem e começam a orbitar uns aos outros, o que cria os excitons.
Excitons são crucialmente importantes dentro de semicondutores, mas até agora, os cientistas só foram capazes de detectá-los e medi-los de maneiras limitadas. Um dos problemas reside na fragilidade deles – é necessária relativamente pouca energia para quebrar o exciton em elétrons livres e lacunas. Além disso, são fugazes por natureza – em alguns materiais, os excitons são extintos em cerca de alguns milésimos de bilionésimo de segundo depois de se formarem, quando os elétrons excitados “caem” de volta nos buracos.
“Os cientistas descobriram excitons pela primeira vez há cerca de 90 anos”, disse o professor Keshav Dani, autor sênior e chefe da Unidade de Espectroscopia de Femtosegundo no OIST. “Mas, até muito recentemente, era possível acessar geralmente apenas as assinaturas ópticas de excitons – por exemplo, a luz emitida por um exciton quando extinto. Outros aspectos de sua natureza, como seu momento, e como o elétron e o buraco orbitam cada um outro, só poderia ser descrito teoricamente. ”
No entanto, em dezembro de 2020, os cientistas da Unidade de Espectroscopia de Femtosegundo OIST publicaram um artigo na Science descrevendo uma técnica revolucionária para medir o momento dos elétrons dentro dos excitons.
Agora, reportando na Science Advances, a equipe usou a técnica para capturar a primeira imagem que mostra a distribuição de um elétron ao redor do buraco dentro de um exciton.
Os pesquisadores primeiro geraram excitons enviando um pulso de luz laser em um semicondutor bidimensional – uma classe recentemente descoberta de materiais que têm apenas alguns átomos de espessura e abrigam excitons mais robustos.
Depois que os excitons foram formados, a equipe usou um feixe de laser com fótons de ultra-alta energia para separar os excitons e chutar os elétrons para fora do material, para o espaço de vácuo dentro de um microscópio eletrônico.
O microscópio eletrônico mediu o ângulo e a energia dos elétrons conforme eles voavam para fora do material. A partir dessas informações, os cientistas foram capazes de determinar o momento inicial do elétron quando ele foi ligado a um buraco dentro do exciton.
“A técnica tem algumas semelhanças com os experimentos do colisor da física de alta energia, em que as partículas são esmagadas em conjunto com quantidades intensas de energia, quebrando-as. Medindo as trajetórias das partículas internas menores produzidas na colisão, os cientistas podem começar a reconstituir juntos a estrutura interna das partículas intactas originais “, disse o professor Dani. “Aqui, estamos fazendo algo semelhante – estamos usando fótons de luz ultravioleta extrema para separar excitons e medindo as trajetórias dos elétrons para visualizar o que está dentro.”
“Isso não foi fácil”, continuou a professora Dani. “As medições tiveram que ser feitas com extremo cuidado – em baixa temperatura e baixa intensidade para evitar o aquecimento dos excitons. Demorou alguns dias para adquirir uma única imagem.”
No final das contas, a equipe conseguiu medir a função de onda do exciton, o que dá a probabilidade de onde o elétron está provavelmente localizado ao redor do buraco.
“Este trabalho é um avanço importante no campo”, disse o Dr. Julien Madeo, co-primeiro autor e cientista da equipe da Unidade de Espectroscopia de Femtosegundo OIST. “Ser capaz de visualizar as órbitas internas das partículas à medida que elas formam partículas compostas maiores pode nos permitir entender, medir e, finalmente, controlar as partículas compostas de maneiras sem precedentes. Isso pode nos permitir criar novos estados quânticos de matéria e tecnologia com base nesses conceitos . “
Publicado em 22/04/2021 09h56
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