研究人员首次捕获了激子内电子轨道概率云的图像

徘徊：此图像显示了在激子中最有可能发现电子的位置。黄色表示高概率，蓝色表示低概率。该孔位于圆形图案的中心。

研究人员首次捕获了激子内电子轨道概率云的图像。Keshav Dani和他在日本冲绳岛科学技术研究生院的同事们用严格控制的激光脉冲将电子踢出轨道，然后用超精密电子显微镜测量其轨迹来产生图像。他们的结果可能导致人们对物理学家早已回避的激子性质有了新的认识。

当半导体中的电子吸收足够能量的光子时，它将被激发到更高的能级，从而留下带正电的空穴。由于它们的相互吸引，两个粒子随后将短暂地相互绕行，从而形成称为激子的中性准粒子。激子是半导体技术运作的关键，但到目前为止，已证明它们极难研究。激发的电子不仅可以在短短的皮秒内落回到它们各自的空穴中。准粒子也很容易分解。

因此，激子的关键性质，包括它们的动量和它们的电子空穴轨道的特征，只在理论上得到描述。在他们的研究中，丹尼的团队引入了一种新的装置，使他们能够直接成像这些轨道。为了做到这一点，他们首先使用激光脉冲在低温二维半导体中产生激子:一种原子薄的材料，在电子-空穴复合之前激子可以持续相当长的时间。

极紫外光子

在第二个脉冲中，他们向激子发射极紫外光子。这将它们的电子踢入电子显微镜的真空中，电子显微镜利用电子的波状特性产生亚原子分辨率的图像。通过使用显微镜测量这些移位的电子的角度和能量，研究人员可以在被踢出电子的确切时刻确定它们在原始激子中的位置。

这个过程类似于在粒子加速器上进行的高能碰撞:物理学家可以从碰撞产生的粒子轨迹推断出粒子在被粉碎之前的性质。通过对激子产生和破坏的多个周期进行测量，Dani和他的同事们可以逐渐建立激子轨道内电子波函数的图像。根据海森堡的不确定性原理，这些数学关系与观察到的在给定位置发现电子的概率有关。

在这张引人注目的图片中，Dani的团队可以清楚地看到三维波函数，或者是一个激发态电子在其围绕孔的轨道内的“概率云”。以这种方式可视化内部轨道的能力可以使研究人员对准粒子的性质进行空前的控制，可能导致先进的新量子技术和奇异的新物质状态。这项研究还可能为研究其他复合粒子(如由夸克组成的强子)带来更好的方法。