物理学家们第一次对“激子”有了很好的了解

在对一种叫做“激子”的微小而短暂的物体的本质进行了近一个世纪的探索之后，研究人员终于成功地对其结构进行了成像，揭示了电子的真实位置。这些发现最终可能会“帮助物理学家创造新的物质状态或新的量子技术。

“激子”出现在半导体和绝缘体等其他材料中。当半导体吸收光子或光粒子时，它会导致电子跃迁到更高的能级，在其位置上留下带正电的空穴。电子和空穴相互环绕，形成一个“激子” —— 本质上是电子和空穴的整个区域。因为，电子带负电荷而空穴带正电荷，所以激子本身是中性的。但激子是短暂的，因为电子几乎总是突然回到它们的洞中。当电子落回内部时，它们会发射出一个光子。

主持这项研究的科学家告诉我们：“大约在90年前，科学家们首次发现了激子。但直到最近，人们通常只能看到激子的光学特征。例如，当激子熄灭时发出的光。它们性质的其他方面，比如它们的动量，以及电子和空穴如何相互绕转，就只能从理论上描述了。”

因为电子同时扮演粒子和波的角色，它们的位置和动量不能同时被确定。一个激子的“概率云”（它所构成的影响范围）是电子可能位于空穴周围的最佳指示器。

研究人员试图绘制激子的波函数，这将能直接定义结构的形状和大小。他们描述了一种探测激子动量的方法。在今天发表在《科学进展》(Science Advances）杂志上的最新研究中，该团队用激光照射半导体，催化光子的吸收。这个半导体非常薄，是一种只有几个原子厚的二维物质薄片。

当激子形成后，研究小组用高能光子将它们分解，将电子轰走。他们用电子显微镜绘制电子出口的地图。

上图：激子的平方波函数。

这是研究人员一直在努力解决的问题。去年12月，他们发表了一种直接观测电子动量的方法。该技术使用一种名为钨二硒化物的二维半导体材料，放置在一个温度为90开尔文（-183.15摄氏度，或-297.67华氏度）的真空室内。这个温度需要保持，以防止激子过热。

激光脉冲在这种材料中产生激子。然后，第二束超高能量激光将电子完全踢出，进入由电子显微镜监控的真空室。仪器测量电子的速度和轨迹，这些信息可以用来计算出粒子在被踢出激子时的初始轨道。

科学家表示：“这项技术与高能物理的对撞机实验有一些相似之处，在对撞机实验中，粒子以巨大的能量被撞在一起，使它们断裂。在这里，我们正在做一些类似的事情，我们使用极端紫外光光子来分离激子，并测量电子的轨迹来描绘里面的东西。”

通过测量电子离开半导体的方式，研究人员可以将激子的位置、形状和大小拼合在一起。本文顶部的图像，看起来有点像晴朗天空中的太阳，但它描绘的是激子的概率云。换句话说，就是电子最有可能绕着它留下的洞飞来飞去的空间。

主持这项研究的科学家解释道：“这项工作是该领域的一个重要进展。当粒子形成更大的复合粒子时，能够可视化粒子的内部轨道，可以让我们以前所未有的方式了解、测量和最终控制复合粒子。这可以让我们在这些概念的基础上创造新的物质量子态和技术。”

自1931年第一次预测激子以来，现在已经将近一个世纪了，人类已经更接近于描述亚原子结构是如何实际表现出来的。这次最新的研究使我们对这些量子力学有了更全面的理解，相信当激子达到百年诞辰时，肯定会有更多、更广阔的的研究发展起来。

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