Lần đầu tiên phát hiện exciton trong kim loại

Các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy, lần đầu tiên ở các kim loại, các exciton tạm thời – phản ứng cơ bản của các electron tự do với ánh sáng. Ở đây, họ phát hiện thấy các electron bề mặt của tinh thể bạc có thể duy trì trạng thái exciton lâu hơn 100 lần so với trong kim loại khối, cho phép các exciton được hình dung thực nghiệm bởi một kĩ thuật quang phổ kết hợp đa chiều mới phát triển.

Việc phát hiện các exciton trong kim loại có thể cung cấp manh mối về cách thức ánh sáng biến đổi thành điện năng và hóa năng trong pin mặt trời và cây xanh. Nghiên cứu này cũng có thể đưa đến hướng làm biến đổi chức năng của các kim loại để phát triển các nguyên tố hoạt tính dùng trong các kĩ thuật như viễn thông quang học bằng cách điều khiển cách ánh sáng phản xạ khỏi một kim loại.

Hình ảnh giao thoa cho thấy năng lượng quang electron theo thời gian trễ giữa bơm femto giây và xung khảo sát, làm kích thích quang phát quang ba-photon kết hợp tại bề mặt tinh thể bạc.

Nhìn vào trong gương là thói quen hằng ngày của chúng ta, nhưng mô tả cơ lượng tử ẩn sau hiện tượng quen thuộc này vẫn chưa được rõ. Khi ánh sáng phản xạ tại mặt gương, ánh sáng “lắc” các electron tự do của kim loại đó và gia tốc thu được của các electron tạo ra một bản sao gần như hoàn hảo của ánh sáng tới – mang lại sự phản xạ. Exciton, hay các hạt tương tác ánh sáng-vật chất trong đó photon ánh sáng tạm thời bị vướng víu với electron trong phân tử và chất bán dẫn, được biết là quan trọng đối với quá trình này hay các quá trình khác như quang hợp và viễn thông quang học. Thật không may, việc nghiên cứu và chứng minh các exciton hoạt động như thế nào trong kim loại là khó bởi vì chúng có thời gian sống cực kì ngắn, tồn tại chỉ khoảng 100 atto giây, hay chưa tới 0,1 phần nghìn triệu triệu của một giây.

Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy các exciton ở bề mặt kim loại duy trì trạng thái kích thích lâu hơn 100 lần trong kim loại khối, cho phép các exciton được chụp ảnh thực nghiệm bởi một kĩ thuật quang phổ quang phát quang đa photon đa chiều mới được phát triển. Khám phá này làm sáng tỏ về phản ứng exciton cơ bản của các chất rắn có thể cho phép điều khiển lượng tử các electron trong kim loại, chất bán dẫn, và vật liệu hữu cơ. Nó cũng có khả năng cho phép tạo ra các xung electron femto giây cường độ mạnh có thể làm tăng độ phân giải cho kĩ thuật hiển vi điện tử phân giải-thời gian theo dõi chuyển động của từng nguyên tử và phân tử khi chúng tự sắp xếp trong các chuyển tiếp cấu trúc hay trong các phản ứng hóa học.

Tham khảo: "Transient excitons at metal surfaces." Nature Physics 10, 505-509 (2014). DOI: 10.1038/nphys2981

Nguồn: PhysOrg.com