科學家們首次成功為激子——一種准粒子——內的電子軌道進行了成像。這一結果使他們最終能夠測量准粒子內電子動量空間分佈的激子波函數。
自20世紀30年代發現激子以來，人們一直在追求這一成就，雖然聽起來很抽象，但它有助於推動各種技術的發展，包括量子應用。
"激子是非常獨特和有趣的粒子；它們是電中性的，這意味着它們在材料中的行為與電子等其他粒子非常不同。它們的存在可以真正改變材料對光的反應方式，"日本沖繩科學技術研究所(OIST)飛秒光譜組的物理學家Michael Man說。
"這項工作使我們更接近完全理解激子性質的目標。"
激子不是真正的粒子，而是一種准粒子。當粒子的集體行為導致它們以類似粒子的方式行動時，就會出現這種現象。激子出現在半導體中，這些材料的導電性比絕緣體強，但還不足以算作導體。
半導體在電子產品中很有用，因為它們允許對電子的流動進行更精細的控制。雖然難以觀察，但激子在這些材料中發揮着重要作用。
當半導體吸收了一個將帶負電的電子提升到更高能級的光子時，就會形成激子；也就是說，光子"激發"了電子，從而留下一個帶正電的空隙，被稱為電子洞。負的電子和正的空穴在相互的軌道上結合在一起；激子就是這種軌道上的「電子-電子空穴」對。
但是激子的壽命非常短，而且非常脆弱，因為電子和空穴會在短短的幾分之一秒內重新結合在一起，所以看到它們並不是一件容易的事。
"科學家們第一次發現激子是在90年前，"OIST的飛秒光譜組的物理學家Keshav Dani說，"但直到最近，人們通常只能獲得激子的光學特徵——例如，激子湮滅時發出的光。它們性質的其他方面，如它們的動量，以及電子和空穴如何相互運作，只能從理論上進行描述。"
這是研究人員一直在努力解決的問題。去年12月，他們找到了一種直接觀察電子動量的方法。現在，他們成功使用了這種方法。
新技術使用二硒化鎢的二維半導體材料，把它安置在真空室里，然後冷卻並保持在90開爾文。
用激光脈衝在這種材料中產生激子；然後再用第二道超高能激光把電子完全打飛，進入真空室，由電子顯微鏡監測。
儀器可以測量電子的速度和軌跡，然後這些信息被用於計算粒子脫離激子系統的初始軌道。
儘管這是一項精細、耗時的工作，但研究小組最終能夠測量出激子的波函數。
經過調整，該團隊的研究是激子研究領域裏巨大飛躍。它可以被用來測量不同激子狀態和配置的波函數，並探測不同半導體材料和系統的激子物理過程。
"這項工作是該領域的一個重要進展，"OIST飛秒光譜組的物理學家Julien Madeo說。
"能夠在粒子形成更大的複合粒子時將其內部軌道可視化，可以讓我們以前所未有的方式了解、測量並最終控制複合粒子。這可以讓我們在這些概念的基礎上創造新的物質量子態和技術。"
該團隊的研究已經發表在《科學進展》上。
