Una imagen de un electrón dentro de un excitón.

Los excitones son semi-partículas que corresponden a los estados excitados de la materia. Está moldeado en materiales semiconductores y se utiliza en muchas aplicaciones industriales, como paneles solares o teléfonos inteligentes. Por primera vez en el mundo, los científicos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) pudieron calcular el impulso de los electrones, un parámetro que caracteriza su rotación dentro de estos estados emocionantes, y los transcribieron en imágenes. Los resultados de su estudio se publican en la revista Avances de la ciencia 21 de abril de 2021.

Dentro de un semiconductor

Ni conductores ni aislantes, los semiconductores son materiales que tienen una determinada función a nivel subatómico: en un conductor, los electrones de los átomos son libres de moverse alrededor del material, formando así una corriente eléctrica. En el aislador ocurre lo contrario, están atrapados dentro de su átomo. En los semiconductores, el núcleo es tibio: es un aislante en tiempos «normales» pero incluso con una entrada de energía baja, algunos electrones se liberan parcialmente y luego pueden conducir la corriente eléctrica.

Al encender un material semiconductor, los electrones absorben los fotones y las partículas que componen la luz, luego aumentan su energía, pasando de un nivel bajo (constante) a un nivel alto (excitado). Esta entrada de energía les permitirá liberarse parcialmente del agarre de su átomo original, dejando atrás un déficit de carga negativo llamado «agujero».

«Cuasi-partículas»

Descubierto en 1931 pero aún no observado directamente, el término «excitón» se refiere a un estado excitado de la materia, en el caso de un semiconductor, un par de agujeros electrónicos. Este par está diseñado por dos «partículas»: un electrón cargado negativamente y un agujero cargado positivamente, que es más precisamente un «espacio» cargado positivamente. Este par de partículas entra en un orbital una vez que el electrón entra en estado de excitación, pero por muy poco tiempo, lo que complica cualquier medida. Después de eso, el electrón regresa a su lugar original dentro del átomo emitiendo un fotón, o escapa completamente del átomo. De hecho, incluso con una entrada mínima de energía una vez que se crea el excitón, de alguna manera decaerá.

Crédito: OIST

Los científicos descubrieron los excitones hace unos 90 años.Dice el profesor Keshav Dani, autor principal y jefe de la unidad de espectroscopia de femtosegundos en OIST. «Pero hasta hace muy poco, solo se podía acceder a la firma óptica del electrón, la luz emitida cuando el excitón desaparecía. Otros aspectos relacionados con él, como su sincronización, o cómo el electrón y la órbita del agujero, se describían solo teóricamente».

«Los excitones son partículas individuales: son eléctricamente neutrales, lo que significa que se comportan de manera diferente a los electrones en un material. Su presencia puede cambiar la forma en que una sustancia responde a la luz». El Dr. Michael Mann, coautor principal y científico de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos de OIST, explica. «Este trabajo nos lleva a una comprensión completa de la naturaleza de los excitones «.

Midiendo la probabilidad de un electrón

El 21 de abril de 2021, el equipo publicó un estudio en la revista Science Advances, una técnica para medir el momento de los electrones dentro de los excitones. Para lograr tal resultado, el equipo primero creó excitones usando un pulso de láser dentro de un material semiconductor bidimensional, de solo unos pocos átomos de espesor.

Una vez que se forman los excitones, los investigadores envían un rayo láser que contiene fotones de alta energía, que separan los huecos de los electrones y expulsan los electrones del material. Un microscopio electrónico se coloca directamente sobre el material y luego mide el ángulo y la energía de los electrones a medida que salen. Con esta información, es posible reconstruir el momento inicial del electrón cuando todavía estaba unido al agujero dentro del excitón.

Crédito: OIST

«No fue una tarea pequeña»El profesor Danny concluye. «Las mediciones tuvieron que tomarse con mucho cuidado, a bajas temperaturas y bajas densidades para evitar calentar los electrones. Nos tomó varios días obtener una sola imagen». Finalmente, el equipo midió la función de onda del excitón, que proporciona acceso a las probabilidades de que el electrón esté alrededor del agujero.

La nube de probabilidad de electrones. Crédito: OIST

Esto se debe a que los electrones son tanto ondas como partículas, la física cuántica establece que es imposible conocer su ubicación exacta y solo se puede calcular la distribución de probabilidad de existencia, como se muestra arriba. Estos trabajos representan un tremendo avance en física.Dice Julian Maedo, coautor principal e investigador de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos de OIST. «La capacidad de visualizar las órbitas internas de partículas que pertenecen a partículas compuestas puede permitirnos comprender, medir y controlar mejor estas partículas compuestas. Puede permitirnos crear nuevos estados cuánticos de la materia y técnicas basadas en ellos. Conceptos. «