冲绳科学技术研究所 医生
OIST飞秒光谱学部门的职员科学家朱利安·马代奥对准了极紫外光束
信用:OIST 预示着长达十年的探索的结束，在极薄的二维半导体这一有前途的新类别中，科学家们首次直接观察和测量了被称为暗激子的难以捉摸的粒子，这种粒子不能被光看到
领先期刊《科学》中描述的这项强大技术可能会彻底改变二维半导体和激子的研究，对未来的技术设备产生深远影响，从太阳能电池和发光二极管到智能手机和激光器
激子是半导体中物质的激发态，是许多现代技术的关键成分
当半导体材料中的电子被光激发到更高的能量状态时，它们就形成了，在电子先前所在的能级留下一个“空穴”
“空穴是指没有电子，因此携带的电荷与电子相反，”资深作者凯沙夫·达尼教授解释道，他是OIST冲绳科学技术研究生院飞秒光谱学部门的负责人
这些相反的电荷相互吸引，电子和空穴结合在一起形成激子，然后激子可以在整个材料中移动
" 在常规半导体中，激子在产生后不到几十亿分之一秒就被消灭了
此外，它们可能“脆弱”，使得它们难以研究和操作
但是大约十年前，科学家们发现了二维半导体，其中激子更加健壮
“强大的激子赋予了这些材料真正独特和令人兴奋的特性，所以世界范围内有许多密集的研究旨在利用它们来创造新的光电子器件，”第一作者Dr
朱利安·马代奥，OIST飞秒光谱学部门的科学家
“但是目前，用于测量激子的标准实验技术有一个主要的限制
" 该仪器使用初始泵浦光脉冲来激发电子并产生激子
紧接着是第二个光脉冲，利用极紫外光子将激子中的电子踢出材料，进入电子显微镜的真空中
电子显微镜然后测量电子离开材料的能量和角度
信用:OIST 目前，研究人员使用光谱学技术——本质上是测量半导体材料吸收、反射或发射的光的波长——来揭示关于激子能量状态的信息
但是光学光谱学只能捕捉到图像的一小部分
科学家们早就知道，只有一种叫做亮激子的激子能与光相互作用
但是其他类型的激子也存在，包括动量禁止的暗激子
在这种暗激子中，电子与束缚它们的空穴具有不同的动量，这阻止了它们吸收光
这也意味着暗激子中的电子与亮激子中的电子具有不同的动量
“我们知道它们的存在，但是我们不能直接看到它们，我们不能直接探测它们，因此我们不知道它们有多重要，也不知道它们对材料的光电子特性有多大影响，”博士说
Madé
在暗激子上发光 为了第一次看到暗激子，科学家们修改了一种强大的技术，这种技术以前主要用于研究单个未结合的电子
“目前还不清楚这种技术如何应用于激子，激子是一种复合粒子，电子被束缚在其中
科学界有很多理论工作在讨论这种方法的有效性
达尼
医生
迈克尔·曼是OIST飞秒光谱学部门的科学家，他将半导体材料的样本装入电子显微镜
信用:OIST 他们的方法提出，如果用一束含有足够高能量光子的光束来撞击半导体材料中的激子，光子的能量会使激子分裂，并将电子直接踢出材料
通过测量电子飞出材料的方向，科学家们将能够确定电子作为激子的一部分时的初始动量
因此，科学家不仅能够看到，而且能够区分亮激子和暗激子
但是实现这项新技术需要解决一些巨大的技术挑战
科学家们需要用高能极紫外光子产生光脉冲，能够分裂激子并将电子踢出材料
仪器需要能够测量这些电子的能量和角度
此外，由于激子寿命很短，仪器必须在不到十亿分之一秒的时间范围内工作
最后，该仪器还需要足够高的空间分辨率来测量二维半导体样品，这些样品通常只有微米级的尺寸
“当我们解决了所有的技术问题，打开仪器，屏幕上基本上都是激子——这真的很神奇，”第一作者Dr
迈克尔·曼，也来自OIST飞秒光谱学部门
研究人员发现，正如预测的那样，半导体材料中既有亮激子，也有暗激子
但令他们惊讶的是，科学家们还发现，暗激子主宰了材料，数量超过了亮激子
该团队进一步观察到，在某些条件下，当受激电子分散在整个材料中并改变动量时，激子可以在亮或暗之间移动
“暗激子的优势以及暗激子和亮激子之间的相互作用表明，暗激子对这种新型半导体的影响甚至比预期的更大。”
Madé
这项技术是一项真正的突破
达尼
“它不仅提供了对暗激子的首次观察并阐明了它们的性质，而且在激子和其他受激粒子的研究方面开创了一个新时代
"
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