激子的作用

激子是固体中的一种基本的元激发，是由库仑互作用互相束缚着的电子-空穴对。半导体吸收一个光子之后，电子由价带跃迁至导带，但是电子由于库仑作用仍然和价带中的空穴联系在一起。

激子对描述半导体的光学特性有重要意义；自由激子束缚在杂质上形成束缚激子。激子束缚能大，说明自由激子容易和杂质结合形成发光中心。激子效应对半导体中的光吸收、发光、激射和光学非线性作用等物理过程具有重要影响，并在半导体光电子器件的研究和开发中得到了重要的应用.与半导体体材料相比，在量子化的低维电子结构中，激子的束缚能要大得多，激子效应增强，而且在较高温度或在电场作用下更稳定。

在半导体吸收光谱中，本征的带间吸收过程是指半导体吸收一个光子后，在导带和价带同时产生一对自由的电子和空穴.但实际上除了在吸收带边以上产生连续谱吸收区以外，还可以观测到存在着分立的吸收谱线，这些谱线是由激子吸收引起的，其能谱结构与氢原子的吸收谱线非常类似.激子谱线的产生是由于当固体吸收光子时，电子虽已从价带激发到导带，但仍因库仑作用而和价带中留下的空穴联系在一起，形成了激子态.自由激子作为一个整体可以在半导体中运动.这种因静电库仑作用而束缚在一起的电子空穴对是一种电中性的、非导电性的电子激发态.

与氢原子一样，激子也具有相应的基态和激发态，但其能量状态与固体中的介电效应和电子空穴的有效质量有关.实际上，固体中的激子态可用类氢模型加以描述，并按此模型很好地估算出激子在带边下分立能级的能态和电离能。

总的来说，宽禁带的半导体材料，激子束缚能较大，而激子玻尔半径则比较小.而禁带较窄的材料，其激子电离能较小，激子玻尔半径则较大。

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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