研究人员第一次呈现在激子中一个电子轨道的直接图像

电子在四处游荡：此图像显示电子最有可能在激子中出现的位置。黄色表示概率高，蓝色表示概率低。孔位于圆形图案的中心。OIST供图。

研究人员首次在激子中捕捉到电子轨道概率云的图像。Keshav Dani和日本冲绳科技研究生院（Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University）的同事制作了该图像，他们利用精确控制的激光脉冲将电子激发出轨道，然后用超精确的电子显微镜测量其轨迹。他们的研究结果使大家能够对激子特性有新的认识，这个问题长期困扰着物理学家。当半导体中的电子吸收足够的光子能量时，它会被激发到更高的能级，留下一个带正电荷的空穴。由于它们相互吸引，这两个粒子随后将短暂地相互环绕，形成一个称为激子的中性准粒子。激子是半导体技术运行的关键，但到目前为止，研究人员称它们极其难研究。激发的电子不仅能在皮秒内跃迁回各自的空穴中：准粒子也很容易被打破。

因此，关键的激子特性，包括其瞬态特性，以及电子空穴轨道的特征，只是从理论上进行了描述。在他们的研究中，Dani的团队引入了一个新的装置，这个装置允许他们对这些轨道直接成像。为此，他们首先使用激光脉冲在低温二维半导体内产生激子：一种原子层薄的材料，在这里激子可以在电子空穴重新复合之前持续相对较长的时间。

极紫外光子

然后，他们用第二个脉冲向激子发射极紫外光子。这将电子激发到电子显微镜的真空中，该显微镜利用电子的波动特性以亚原子分辨率生成图像。通过使用显微镜测量这些被移位电子的角度和能量，研究人员可以在它们被激发出去的确切时间确定它们在原始激子的位置。

这个过程与粒子加速器上进行的高能碰撞相类似：从碰撞产生的粒子轨迹中，物理学家可以在粒子被分离之前推断出粒子的本质。通过对许多激子的产生和湮灭周期进行测量，Dani和他的同事可以逐渐建立出电子在激子轨道内的波动图像。根据海森堡的不确定性原理，这些数学关系与在给定位置观察时找到电子的概率有关。在一张引人注目的图像中，Dani的团队可以清楚地看到围绕一个洞的轨道内被激发电子的3D波动图或"概率云"。这种以可视化内部轨道方式的能力能够使研究人员对准粒子的特性拥有前所未有的掌控，从而有可能获得先进的新量子技术和奇特的新物质状态。这项研究还可以促使研究人员研究其它复合粒子，比如由夸克组成的强子。这项研究发表在《Science Advances》上。