发表在最新一期的《科学》杂志上的一篇重要论文提出了一种新方法，科学家们首次直接可视化并测量了难以捉摸的、称为暗激子的粒子，这些粒子是无法用光看到的。
这一革命性的新方法有可能会彻底改变二维半导体和激子的研究，对未来的技术设备，从太阳能电池、LED、到智能手机和激光器，都将产生深远的影响。
激子是在半导体中发现的物质的兴奋态，这是许多当前技术的关键组成部分。它们在半导体材料中的电子被光激发到更高的能量状态时形成，并在电子先前所处的能级留下“空穴”。
冲绳科技大学研究生院飞秒光谱学部门负责人、论文资深作者Keshav Dani教授解释说：“空穴是没有电子的，因此带给电子相反的电荷。” “这些相反的电荷吸引，电子和空穴结合在一起形成激子，然后激子可以在整个材料中移动。”
在常规半导体中，激子在产生后不到十亿分之一秒就消失了。而且，它们可能是“易碎的”，使它们难以研究和操作。
论文共同第一作者、OIST飞秒光谱技术朱利安·马德奥博士说：“强大的激子使这些材料真正具有独特而令人兴奋的特性，因此全世界进行了大量的研究，旨在使用它们来制造新的光电器件单元。” “但是目前，用于测量激子的标准实验技术存在很大的局限性。”
该研究使用光的初始泵浦脉冲来激发电子并产生激子，随后迅速发出第二个脉冲，该脉冲使用极紫外光子将激子中的电子从材料中踢出并进入电子显微镜的真空。然后，电子显微镜测量电子离开材料的能量和角度。
当前，研究人员使用光谱技术（本质上是测量半导体材料吸收，反射或发射的光的波长）来发现有关激子能态的信息。但是，光谱只能捕获一小部分图像。
科学家早就知道，只有一种类型的激子，称为明亮激子，可以与光相互作用。但是也存在其他类型的激子，包括禁止动量的黑暗激子。在这种类型的暗激子中，电子与束缚的空穴具有不同的动量，从而阻止了它们吸收光。这也意味着暗激子中的电子与亮激子中的电子具有不同的动量。
Madéo博士说：“我们知道它们的存在，但我们无法直接看到它们，我们无法直接对其进行探测，因此我们不知道它们的重要性或对材料的光电性能有多大影响。”
在黑暗的激子上闪耀光芒
为了第一次可视化暗激子，科学家们修改了一种强大的技术，该技术以前主要用于研究单个未结合的电子。Dani教授说：“目前尚不清楚这种技术对激子是如何工作的，激子是复合物，其中的电子被束缚。科学界有很多理论上的讨论，讨论了这种方法的有效性。”
他们的方法提出，如果使用含有足够高能量的光子的光束击中半导体材料中的激子，则来自光子的能量会分裂激子并将电子踢出材料。通过测量电子从材料中飞出的方向，科学家们将能够确定电子是激子的一部分时的初始动量。因此，科学家们不仅能够看到明亮的激子，而且还能区分黑暗的激子。
但是实施这项新技术需要解决一些巨大的技术挑战。科学家需要产生具有高能的极端紫外光子的光脉冲，该光子能够将激子分裂并将电子踢出材料。然后，该仪器需要能够测量这些电子的能量和角度。此外，由于激子寿命很短，该仪器必须在不到千分之一秒的时间范围内工作。最后，该仪器还需要足够高的空间分辨率来测量2D半导体样品，这些样品通常仅以微米级尺寸提供。
研究人员发现，正如预测的那样，半导体材料中同时存在亮和暗激子。但是令他们惊讶的是，科学家们还发现，暗激子占主导地位，超过了亮激子。研究小组进一步观察到，在某些条件下，随着激发电子在整个材料中扩散并改变动量，激子可能在亮或暗之间移动。
Madéo博士说：“黑暗激子的优势以及黑暗和明亮激子之间的相互作用表明，黑暗激子对这种新型半导体的影响甚至超过了预期。”
Dani教授总结说：“这项技术是真正的突破。它不仅提供了对暗激子的首次观察并阐明了它们的特性，而且开创了对激子和其他激发粒子研究的新纪元。”
