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最近，物理学家实现了一个等待了近一个世纪的梦想：创造出了第一幅激子内的电子空间分布的图像。严格来说，激子并非真正的粒子，而是一种准粒子，这种准粒子可以在半导体材料中产生，并且能极大地影响材料的光电性能。最近，物理学家实现了一个等待了近一个世纪的梦想:他们创造了电子空在激子中分布的第一幅图像。严格来说，激子不是真正的粒子，而是准粒子，可以在半导体材料中产生，极大地影响材料的光电性质。

在半导体中，带负电荷的电子被光子激发后，会从低能级跳到高能级，在较低能级留下一个带正电荷的空空穴，称为空空穴。并且电子空空穴相互吸引，相互绕着运动，而电子-空空穴对所代表的束缚态就是激子。

激子在20世纪30年代首次被发现。此后，物理学家一直希望通过实验测量激子的波函数，从而可以给出激子中空空穴周围电子可能位置的概率。然而，近一个世纪以来，他们一直无法实现这一目标。

去年12月，冲绳科技大学(OIST)的一个研究小组在《科学》杂志上发表了一篇论文，描述了一项革命性的技术，可用于测量激子中的电子动量。现在，在最近发表在《科学进展》杂志上的一项研究中，这组研究人员报告说，他们利用这项技术成功地“打破”了激子，并将激子中的电子踢到了电子显微镜的true 空中，从而首次捕捉到了激子内部的空分布图像，拍摄到了激子中电子的第一张图像。

长期以来，科学家只能从与激子相关的一些光学特性来了解激子，比如激子熄灭时发出的光；无法探测到其他更能揭示其本质的性质，比如动量，电子和空空穴是如何相互环绕的。对于与自然关系更大的信息，他们只能从理论上进行描述。

在最新的研究中，OIST的研究人员利用他们开发的技术取得了突破。

他们使用了一种类似于高能物理中的粒子对撞机的实验装置。在对撞机中，粒子以巨大的能量相互碰撞，分裂成其他更小的亚原子粒子碎片。通过测量碰撞中产生的那些粒子的轨迹，科学家可以拼凑出许多与原始粒子相关的信息。这正是新研究所要做的。

在实验中，他们首先向二维半导体材料发送激光脉冲，激发材料中的电子，产生激子。这种半导体材料是最近新发现的。它的厚度只有几个原子，可以有更稳定的激子。激子形成后，研究人员将使用第二束激光束——能量超高的极紫外激光束来分离激子。这些高能光子可以把电子踢出材料，进入电子显微镜的真空空室。然后，电子显微镜就可以测量出电子飞出物质的角度和能量。根据这些信息，物理学家可以确定激子中束缚的电子和空空穴的初始动量。

最后，他们成功测量了激子的波函数，并给出了空空穴周围电子可能位置的概率。

#创意团队:

编译:小雨

#参考源:

https://www . oist . jp/news-center/press-releases/scientists-capture-first-image-electron ‘ s-orbit-in-exciton

https://cosmos magazine . com/科学/物理/激动人心-激子-突破/https://advances.sciencemag.org/content/7/17/eabg0192·https://science.sciencemag.org/content/370/6521/1199

资料来源:中国科学院长春光机所