科學家通過一種革命性的新方法,可以直接觀察暗激子

2020-12-11 量子認知

發表在最新一期的《科學》雜誌上的一篇重要論文提出了一種新方法，科學家們首次直接可視化並測量了難以捉摸的、稱為暗激子的粒子，這些粒子是無法用光看到的。

這一革命性的新方法有可能會徹底改變二維半導體和激子的研究，對未來的技術設備，從太陽能電池、LED、到智慧型手機和雷射器，都將產生深遠的影響。

激子是在半導體中發現的物質的興奮態，這是許多當前技術的關鍵組成部分。它們在半導體材料中的電子被光激發到更高的能量狀態時形成，並在電子先前所處的能級留下「空穴」。

衝繩科技大學研究生院飛秒光譜學部門負責人、論文資深作者Keshav Dani教授解釋說：「空穴是沒有電子的，因此帶給電子相反的電荷。」 「這些相反的電荷吸引，電子和空穴結合在一起形成激子，然後激子可以在整個材料中移動。」

在常規半導體中，激子在產生後不到十億分之一秒就消失了。而且，它們可能是「易碎的」，使它們難以研究和操作。

論文共同第一作者、OIST飛秒光譜技術朱利安·馬德奧博士說：「強大的激子使這些材料真正具有獨特而令人興奮的特性，因此全世界進行了大量的研究，旨在使用它們來製造新的光電器件單元。」 「但是目前，用於測量激子的標準實驗技術存在很大的局限性。」

該研究使用光的初始泵浦脈衝來激發電子並產生激子，隨後迅速發出第二個脈衝，該脈衝使用極紫外光子將激子中的電子從材料中踢出並進入電子顯微鏡的真空。然後，電子顯微鏡測量電子離開材料的能量和角度。

當前，研究人員使用光譜技術（本質上是測量半導體材料吸收，反射或發射的光的波長）來發現有關激子能態的信息。但是，光譜只能捕獲一小部分圖像。

科學家早就知道，只有一種類型的激子，稱為明亮激子，可以與光相互作用。但是也存在其他類型的激子，包括禁止動量的黑暗激子。在這種類型的暗激子中，電子與束縛的空穴具有不同的動量，從而阻止了它們吸收光。這也意味著暗激子中的電子與亮激子中的電子具有不同的動量。

Madéo博士說：「我們知道它們的存在，但我們無法直接看到它們，我們無法直接對其進行探測，因此我們不知道它們的重要性或對材料的光電性能有多大影響。」

在黑暗的激子上閃耀光芒

為了第一次可視化暗激子，科學家們修改了一種強大的技術，該技術以前主要用於研究單個未結合的電子。Dani教授說：「目前尚不清楚這種技術對激子是如何工作的，激子是複合物，其中的電子被束縛。科學界有很多理論上的討論，討論了這種方法的有效性。」

他們的方法提出，如果使用含有足夠高能量的光子的光束擊中半導體材料中的激子，則來自光子的能量會分裂激子並將電子踢出材料。通過測量電子從材料中飛出的方向，科學家們將能夠確定電子是激子的一部分時的初始動量。因此，科學家們不僅能夠看到明亮的激子，而且還能區分黑暗的激子。

但是實施這項新技術需要解決一些巨大的技術挑戰。科學家需要產生具有高能的極端紫外光子的光脈衝，該光子能夠將激子分裂並將電子踢出材料。然後，該儀器需要能夠測量這些電子的能量和角度。此外，由於激子壽命很短，該儀器必須在不到千分之一秒的時間範圍內工作。最後，該儀器還需要足夠高的空間解析度來測量2D半導體樣品，這些樣品通常僅以微米級尺寸提供。

研究人員發現，正如預測的那樣，半導體材料中同時存在亮和暗激子。但是令他們驚訝的是，科學家們還發現，暗激子佔主導地位，超過了亮激子。研究小組進一步觀察到，在某些條件下，隨著激發電子在整個材料中擴散並改變動量，激子可能在亮或暗之間移動。

Madéo博士說：「黑暗激子的優勢以及黑暗和明亮激子之間的相互作用表明，黑暗激子對這種新型半導體的影響甚至超過了預期。」

Dani教授總結說：「這項技術是真正的突破。它不僅提供了對暗激子的首次觀察並闡明了它們的特性，而且開創了對激子和其他激發粒子研究的新紀元。」

參考：Directly visualizing the momentum-forbidden dark excitons and their dynamics in atomically thin semiconductors.Science(2020).science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aba1029

相關焦點

  • 科學家開發出一種或能源源不斷產生幹細胞的新方法
    來源：生物谷一項刊登在國際雜誌Cell Reports上的研究報告中，來自西班牙基因組調控中心和哥倫比亞大學等機構的科學家們通過研究識別出了一種對稀缺、救命的血液幹細胞擴增至關重要的特殊蛋白質相關研究或能幫助科學家們開發出多種新方法來在人體內和體外繁殖大量這類幹細胞，目前這些幹細胞是科學家們在多種醫療程序中使用的最大限制之一，包括治療血液癌症的療法到需要進行骨髓移植的遺傳性血液疾病等。
  • 科學家找到治療眼癌新方法
    美國科學家日前對患有眼癌的兒童進行了研究，通過比較兒童的基因序列，他們發現了新的證據，表明細胞中的多米諾骨牌效應是導致癌症擴散的原因。研究人員利用實驗成功地在斑馬魚和人類細胞中找到事件鏈的阻斷部分，從而讓眼腫瘤細胞停止生長和擴散。
  • 利用雷射觀察原子的旋轉使得科學家可以清楚的看透量子的神奇性
    《科學》雜誌上，發表了普林斯頓大學的一個研究團隊的研究論文，開發出了一種控制和測量原子的新方法，新方法可以更進一步地了解量子世界的怪異。 他們的方法是在納米級光學電路中，使用微調雷射器來激發晶體中間隔很近的原子。
  • 維也納醫科大學:科學家確定一種新腸癌治療方法
    維也納醫科大學：科學家確定一種新腸癌治療方法 2020-06-27 19:08 來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客
  • 厲害了,用電子顯微鏡,就能觀察細胞基因表達的方法!
    亥姆霍茲慕尼黑研究中心的研究人員開發了一種用電子顯微鏡觀察細胞基因表達的方法。雖然電子顯微鏡目前提供了對細胞最詳細的觀察，但它無法區分哪些基因程序在單個細胞內運行。現在，通過使用不同大小的基因編程納米球作為「多色」標記，新方法可以更近距離地觀察，這甚至有助於研究記憶是如何存儲在神經元網絡中的。細胞究竟發生了什麼？這個問題讓科學家們忙了幾十年。為了標記小結構，科學家們一直在使用螢光蛋白。這種方法工作得很好，但由於光學顯微鏡的解析度相對較低而存在缺點。
  • 十大最具革命性的科學理論
    最近，曾任美國《科學新聞》雜誌主編的湯姆·西格弗裡德試著以「革命性」和「科學理論」作為標尺，挑選出十項最具代表性的內容，冠之以「十大最具革命性的科學理論」，簡要概括了科學尤其是近代科學以來的裡程碑及其影響。按照西格弗裡德的解釋，所謂革命性的理論，是指那種能夠解決舊的知識體系所無法解決的問題，並且能夠將舊有知識通過徹底的改頭換面，重新納入到新體系之中的科學理論。
  • 科學家發現特殊大腦刺激方法 未來或可治抑鬱症
    科學家發現特殊大腦刺激方法 未來或可治抑鬱症  黃琨 • 2019-02-07 11:08:24　來源：前瞻網　E俗語有云「笑一笑十年少(四聲)」，這在過去，通常被認為是養生之法，但最新研究表明，笑不僅可以養生，還能治病，尤其能在大腦手術中起到十分重要的作用。
  • 光子反衝成像:觀察分子內部的新方法
    圖片來源：網絡（mbi-berlin.de）近日，德國和瑞典科學家利用歐洲X射線自由電子雷射裝置（XFEL），通過創新的「光子反衝成像」（Photon-recoil imaging）技術，研究X射線與原子之間相互作用的基本過程。該方法可以使人們更好地了解原子級的化學反應，將成為探索非線性X射線物理學的有力工具。
  • 創新「光子反衝成像」技術:觀察分子內部的新方法
    近日，德國和瑞典科學家利用歐洲X射線自由電子雷射裝置（XFEL），通過創新的「光子反衝成像」（Photon-recoil imaging）技術，研究X射線與原子之間相互作用的基本過程。該方法可以使人們更好地了解原子級的化學反應，將成為探索非線性X射線物理學的有力工具。
  • 科學家首次真實觀察到了
    北京時間7月2日消息，據國外媒體報導，一種可怕的寄生蟲能夠將螞蟻變成「自殺殭屍」，最新視頻圖像揭曉了其中的秘密。一種名為「柳葉刀肝吸蟲（lancet liver fluke）」的寄生蟲可以進入螞蟻頭部，控制螞蟻行為。當夜幕降臨的時候，柳葉刀肝吸蟲引導螞蟻爬到葉片頂端，一直呆到第二天早晨。
  • 科學家創新推動科學革命
    庫恩說，從科學發展的歷史來看，每一次科學革命都迫使科學共同體拋棄一種盛極一時的科學理論，而贊成另一種與之不相容的理論。而且每一次革命也改變了科學的思維方式，以至於在其中進行科學研究的世界也發生了轉變。當然，這種革命性變化的特徵，有些影響比較大而廣泛，如牛頓革命或哥白尼革命；有些可能因為專業領域狹小，特徵不夠突出，如麥克斯韋方程與愛因斯坦方程，但它們在知識增長方面同樣是革命性的。
  • 新床墊可以直接睡嗎 新床墊選擇方法
    床墊的選擇一般要考慮清楚基本的材質以及舒適性能、彈簧的效果等等，可是大多數家居主人都沒有任何挑選的經驗，也不知道各種不同床墊的品牌，可以看看新床墊可以直接睡嗎以及新床墊選擇，方法了解一些基本的材料類型，然後再找到合適的優質的床墊，讓日常睡眠的質量更高。
  • 德國辦公家具品牌Wilkhahn推出了革命性的ON椅子
    德國辦公家具品牌Wilkhahn推出了革命性的ON椅子，該椅子採用運動學原理，坐在桌子上刺激身體的核心肌肉群和關節。該公司新推出的IN椅子提供了一種更緊湊，更實惠的替代方案，採用汽車和運動服裝行業開創的技術，直觀地將常規運動融入工作日。
  • 科學家開發出一種安全更具靶向性的方法來運輸CRISPR基因療法!
    生物谷BIOON/ --近日，一篇發表在國際雜誌ACS applied Materials & Interfaces上題為「Spatial and Temporal Control of CRISPR-Cas9-Mediated Gene Editing Delivered via a Light-Triggered Liposome System」的研究報告中，來自新南威爾斯大學等機構的科學家們通過研究揭示了一種安全且更具靶向性的方法來運輸
  • 科學家開發出了一種多功能的新型機器人
    打開APP 科學家開發出了一種多功能的新型機器人 發表於 2019-08-15 15:29:19 麻省理工學院計算機科學與人工智慧實驗室(CSAIL)的科學家開發出了一種多功能的新型機器人，他們可以學習拾取和放下各種各樣的東西，甚至是以前從未見過的東西。 「研究智慧機器人最重要的是要仔細觀察機器人沒有做什麼，或者不能做什麼。」
  • 日本科學家的重要發現-AD的新致病機理和新治療方法
    要知道大部分的癌症，只要發現得早，都是可以治好的。有些生理病程在早期的時候是相對簡單的。然而到了晚期，各種各樣不同的病理糾纏在一起，找到治療方法會變得越來越困難。好像是滅火一樣，小火好滅。大火就困難了。 人們都在說，阿爾茨海默病是一種非常複雜的疾病，單一的方法很難治好。這就是為什麼過去十幾年以來，開發阿爾茨海默病的努力和數百億美金的投入都變成滾滾長江東逝水。
  • 科學家發明無需針頭就能注射藥物新方法
    科學家研發出一種無需針頭就能注射藥物的新方法，可用一種高速高壓噴射器將藥物透過皮膚注入體內。這種方法有朝一日可能會終結今天打針會疼的時代。過去幾十年裡，科學家研發了各種皮下注射器的替代品。例如尼古丁貼片，它可以將藥物慢慢滲透進皮膚中。但它們只能釋放小到足以穿過皮膚氣孔的藥物分子，對藥物的使用限制很大。由伊恩-亨特率領的這個麻省理工學院研究小組開發了一種射流注射系統，通過一種嚴格控制的方式給不同深度的皮膚注射各種劑量的藥物。這種設計是建立在一種名為「洛倫茲力制動器」的機械裝置基礎上的。
  • 科學家在觀察450光年外的一顆類似太陽恆星時發現一種危險分子!
    近日據國外媒體報導稱，科學家在觀察450光年外的一顆年輕的恆星，這顆恆星叫IRAS16293-2422 B，是一顆類似太陽的的原始恆星，它坐落在蛇夫座新宿增四星區域中。當時在觀察它的時候意外的發現了一種分子，而這種分子可能在地球生命來源中扮演著一個「危險人物」！
  • 科學家們提出新的「測量地震」方法,地震大小存在區域性?
    本文由作者「環球科學貓」原創，百家號獨家內容在科學中，目前地震的測量方法十分的單一，都是在每次的地震爆發之後，基本的儀器才可能真正的發覺到，根據科學最新研究報告稱，一種可應用於大地震的地震能量釋放新測量方式被開發出來，它提供了一種地震斷裂複雜度的測量方法，可以更好地捕獲可能具有相似大小的事件沿斷層滑動的量和持續時間的變化。
  • 科學家或能利用通過大腦掃描來預測人們的智力
    2018年7月20日 訊 /生物谷BIOON/ --如果你曾經撒謊說自己很聰明智商很高，那麼是時候坦白了，如今科學家們就能通過對你的大腦進行掃描來判斷你到底是否真像所說的那麼聰明了。實際上，更準確地說，科學家們自己並不會觀察你的大腦掃描結果，而是藉助一種機器學習的算法來對人們的大腦進行掃描。