కనుగొనబడిన ఒక శతాబ్దం తర్వాత, మానవులు మొదటిసారిగా ఎక్సిటాన్‌ల ఎలక్ట్రాన్ కక్ష్య చిత్రాన్ని బంధించారు

ఒకినావా ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఆఫ్ సైన్స్ అండ్ టెక్నాలజీ (OIST) పరిశోధకులు టంగ్‌స్టన్ డైసెలినైడ్ యొక్క ఒకే పొరలో ఎక్సిటాన్‌ల ద్వారా విడుదలయ్యే ఫోటోఎలెక్ట్రాన్‌ల మొమెంటం పంపిణీని కొలుస్తారు మరియు ఎక్సిటాన్‌లలోని కణాల అంతర్గత కక్ష్యలు లేదా ప్రాదేశిక పంపిణీని చూపించే చిత్రాలను తీయడం జరిగింది- ఇది ఇదే. దాదాపు ఒక శతాబ్దం క్రితం ఎక్సిటాన్ కనుగొనబడినప్పటి నుండి శాస్త్రవేత్తలు సాధించలేకపోయిన లక్ష్యం.

ఎక్సిటాన్‌లు అనేది సెమీకండక్టర్‌లలో కనిపించే పదార్థం యొక్క ఉత్తేజిత స్థితి-ఈ రకమైన పదార్థం సౌర ఘటాలు, LED లు, లేజర్‌లు మరియు స్మార్ట్‌ఫోన్‌లు వంటి అనేక ఆధునిక సాంకేతిక పరికరాలకు కీలకం.

"ఎక్సిటాన్లు చాలా ప్రత్యేకమైనవి మరియు ఆసక్తికరమైన కణాలు; అవి విద్యుత్ తటస్థంగా ఉంటాయి, అంటే అవి ఎలక్ట్రాన్ల వంటి ఇతర కణాల నుండి చాలా భిన్నంగా పదార్థాలలో ప్రవర్తిస్తాయి. వాటి ఉనికి నిజంగా పదార్థాలు కాంతికి ప్రతిస్పందించే విధానాన్ని మార్చగలవు" అని డాక్టర్ మైఖేల్ మాన్ చెప్పారు. OIST యొక్క ఫెమ్టోసెకండ్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ గ్రూప్‌లో మొదటి రచయిత మరియు శాస్త్రవేత్త. "ఈ పని ఎక్సిటాన్‌ల స్వభావాన్ని పూర్తిగా అర్థం చేసుకోవడానికి మమ్మల్ని దగ్గర చేస్తుంది."

సెమీకండక్టర్ ఫోటాన్‌లను గ్రహించినప్పుడు ఎక్సిటాన్‌లు ఏర్పడతాయి, ఇది ప్రతికూలంగా చార్జ్ చేయబడిన ఎలక్ట్రాన్‌లను తక్కువ శక్తి స్థాయి నుండి అధిక శక్తి స్థాయికి దూకడానికి కారణమవుతుంది. ఇది హోల్స్ అని పిలువబడే తక్కువ శక్తి స్థాయిలలో సానుకూలంగా ఛార్జ్ చేయబడిన ఖాళీలను వదిలివేస్తుంది. వ్యతిరేక చార్జ్ చేయబడిన ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు ఒకదానికొకటి ఆకర్షిస్తాయి మరియు అవి ఒకదానికొకటి కక్ష్యలోకి రావడం ప్రారంభిస్తాయి, ఇది ఎక్సిటాన్‌లను సృష్టిస్తుంది.

సెమీకండక్టర్లలో ఎక్సిటాన్లు చాలా ముఖ్యమైనవి, కానీ ఇప్పటివరకు, శాస్త్రవేత్తలు వాటిని పరిమిత మార్గంలో మాత్రమే గుర్తించగలరు మరియు కొలవగలరు. ఒక సమస్య వాటి దుర్బలత్వంలో ఉంది-ఎక్సిటాన్‌లను ఉచిత ఎలక్ట్రాన్‌లు మరియు రంధ్రాలుగా విభజించడానికి తక్కువ శక్తిని తీసుకుంటుంది. అదనంగా, అవి ప్రకృతిలో నశ్వరమైనవి-కొన్ని పదార్థాలలో, ఎక్సిటాన్‌లు ఏర్పడిన తర్వాత కొన్ని వేల వంతుల వ్యవధిలో ఆరిపోతాయి, ఆ సమయంలో ఉత్తేజిత ఎలక్ట్రాన్లు తిరిగి రంధ్రంలోకి "పడిపోతాయి".

"90 సంవత్సరాల క్రితం శాస్త్రవేత్తలు మొదట ఎక్సిటాన్‌లను కనుగొన్నారు" అని సీనియర్ రచయిత మరియు OIST యొక్క ఫెమ్టోసెకండ్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ గ్రూప్ హెడ్ ప్రొఫెసర్ కేశవ్ డాని అన్నారు. "కానీ ఇటీవలి వరకు, ప్రజలు సాధారణంగా ఎక్సిటాన్‌ల యొక్క ఆప్టికల్ లక్షణాలను మాత్రమే పొందారు-ఉదాహరణకు, ఎక్సిటాన్‌లు అదృశ్యమైనప్పుడు విడుదలయ్యే కాంతి. వాటి లక్షణాల యొక్క ఇతర అంశాలు, వాటి మొమెంటం మరియు ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు ఒకదానితో ఒకటి ఎలా పనిచేస్తాయి వంటివి మాత్రమే ఉంటాయి. సిద్ధాంతపరంగా వివరించండి నుండి తీసుకోబడింది."

అయితే, డిసెంబర్ 2020లో, OIST ఫెమ్టోసెకండ్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ గ్రూప్‌కు చెందిన శాస్త్రవేత్తలు సైన్స్ జర్నల్‌లో ఎక్సిటాన్‌లలో ఎలక్ట్రాన్‌ల మొమెంటంను కొలవడానికి ఒక విప్లవాత్మక సాంకేతికతను వివరిస్తూ ఒక పేపర్‌ను ప్రచురించారు. ఇప్పుడు, "సైన్స్ అడ్వాన్సెస్" యొక్క ఏప్రిల్ 21 సంచికలో, ఎక్సిటాన్‌లలోని రంధ్రాల చుట్టూ ఎలక్ట్రాన్ల పంపిణీని చూపించే చిత్రాలను మొదటిసారిగా సంగ్రహించడానికి బృందం ఈ సాంకేతికతను ఉపయోగించింది.

పరిశోధకులు మొదట లేజర్ పల్స్‌లను రెండు డైమెన్షనల్ సెమీకండక్టర్‌కు పంపడం ద్వారా ఎక్సిటాన్‌లను రూపొందించారు - ఇటీవల కనుగొనబడిన ఒక రకమైన పదార్థం అది కొన్ని అణువుల మందంగా మరియు మరింత శక్తివంతమైన ఎక్సిటాన్‌లను కలిగి ఉంటుంది. ఎక్సిటాన్‌లు ఏర్పడిన తర్వాత, పరిశోధనా బృందం ఎక్సిటాన్‌లను విచ్ఛిన్నం చేయడానికి మరియు ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోప్‌లోని వాక్యూమ్ స్పేస్‌లోకి నేరుగా ఎలక్ట్రాన్‌లను తన్నడానికి అల్ట్రా-హై ఎనర్జీ ఫోటాన్‌లతో కూడిన లేజర్ పుంజాన్ని ఉపయోగించింది. ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోప్ ఎలక్ట్రాన్లు పదార్థం నుండి ఎగిరినప్పుడు వాటి కోణం మరియు శక్తిని కొలుస్తుంది. ఈ సమాచారం నుండి, ఎలక్ట్రాన్లు ఎక్సిటాన్‌లలోని రంధ్రాలతో కలిసినప్పుడు శాస్త్రవేత్తలు ప్రారంభ మొమెంటంను నిర్ణయించగలరు.

"ఈ సాంకేతికత హై-ఎనర్జీ ఫిజిక్స్‌లోని కొలైడర్ ప్రయోగంతో కొన్ని సారూప్యతలను కలిగి ఉంది. కొలైడర్‌లో, కణాలు బలమైన శక్తితో కలిసి పగలగొట్టబడతాయి, వాటిని విచ్ఛిన్నం చేస్తాయి. తాకిడి పథంలో ఉత్పత్తి చేయబడిన చిన్న అంతర్గత కణాలను కొలవడం ద్వారా, శాస్త్రవేత్తలు ముక్కలు చేయడం ప్రారంభించవచ్చు. అసలు పూర్తి కణం యొక్క అంతర్గత నిర్మాణం కలిసి" అని ప్రొఫెసర్ డాని చెప్పారు. "ఇక్కడ, మేము ఇలాంటిదే చేస్తున్నాము - మేము ఎక్సిటాన్‌లను విచ్ఛిన్నం చేయడానికి విపరీతమైన అతినీలలోహిత కాంతి ఫోటాన్‌లను ఉపయోగిస్తున్నాము మరియు లోపల ఏమి ఉందో వివరించడానికి ఎలక్ట్రాన్ల పథాలను కొలుస్తాము."

"ఇది సాధారణ ఫీట్ కాదు," ప్రొఫెసర్ డాని కొనసాగించాడు. "ఎక్సిటాన్‌లను వేడి చేయకుండా ఉండేందుకు తక్కువ ఉష్ణోగ్రత మరియు తక్కువ తీవ్రతతో కొలత చాలా జాగ్రత్తగా చేయాలి. ఇది ఒక చిత్రాన్ని పొందేందుకు కొన్ని రోజులు పట్టింది. చివరికి, బృందం ఎక్సిటాన్‌ల వేవ్ ఫంక్షన్‌ను విజయవంతంగా కొలిచింది మరియు ఇది ది ఎలక్ట్రాన్ రంధ్రం చుట్టూ ఉండే సంభావ్యత.

"ఈ పని ఈ రంగంలో ఒక ముఖ్యమైన పురోగతి" అని అధ్యయనం యొక్క మొదటి రచయిత మరియు OIST యొక్క ఫెమ్టోసెకండ్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ గ్రూప్‌లోని శాస్త్రవేత్త డాక్టర్ జూలియన్ మాడియో అన్నారు. "కణాల అంతర్గత కక్ష్యలను దృశ్యమానంగా చూడగల సామర్థ్యం, ​​ఎందుకంటే అవి పెద్ద మిశ్రమ కణాలను ఏర్పరుస్తాయి, ఇది అపూర్వమైన రీతిలో మిశ్రమ కణాలను అర్థం చేసుకోవడానికి, కొలవడానికి మరియు చివరికి నియంత్రించడానికి అనుమతిస్తుంది. ఇది ఈ భావనల ఆధారంగా కొత్త వాటిని సృష్టించడానికి అనుమతిస్తుంది. క్వాంటం పదార్థం మరియు సాంకేతికత యొక్క స్థితి."