আবিষ্কৃত হওয়ার এক শতাব্দী পর, মানুষ প্রথমবারের মতো এক্সিটনের ইলেক্ট্রন অরবিটাল চিত্রটি ধারণ করেছে

ওকিনাওয়া ইনস্টিটিউট অফ সায়েন্স অ্যান্ড টেকনোলজির (ওআইএসটি) গবেষকরা টংস্টেন ডিসেলেনাইডের একক স্তরে এক্সিটন দ্বারা নির্গত ফটোইলেক্ট্রনের ভরবেগ বন্টন পরিমাপ করেছেন এবং এক্সিটনসে কণার অভ্যন্তরীণ কক্ষপথ বা স্থানিক বন্টন দেখানো চিত্রগুলি ক্যাপচার করেছেন - এটি হল এটি প্রায় এক শতাব্দী আগে এক্সাইটন আবিষ্কৃত হওয়ার পর থেকে বিজ্ঞানীরা অর্জন করতে পারেনি এমন একটি লক্ষ্য।

Excitons হল সেমিকন্ডাক্টরগুলিতে পাওয়া পদার্থের উত্তেজিত অবস্থা - এই ধরনের উপাদান হল অনেক আধুনিক প্রযুক্তিগত ডিভাইসের চাবিকাঠি, যেমন সৌর কোষ, LED, লেজার এবং স্মার্টফোন।

"Excitons হল খুবই অনন্য এবং আকর্ষণীয় কণা; তারা বৈদ্যুতিকভাবে নিরপেক্ষ, যার মানে হল যে তারা পদার্থে অন্যান্য কণা যেমন ইলেকট্রন থেকে খুব আলাদাভাবে আচরণ করে। তাদের উপস্থিতি সত্যিই বস্তুর আলোতে প্রতিক্রিয়া করার উপায় পরিবর্তন করতে পারে," কমন বলেছেন ড. মাইকেল ম্যান, OIST-এর ফেমটোসেকেন্ড স্পেকট্রোস্কোপি গ্রুপের প্রথম লেখক এবং বিজ্ঞানী। "এই কাজটি আমাদের এক্সিটনের প্রকৃতি সম্পূর্ণরূপে বোঝার কাছাকাছি নিয়ে আসে।"

এক্সিটন তৈরি হয় যখন একটি অর্ধপরিবাহী ফোটন শোষণ করে, যার ফলে নেতিবাচক চার্জযুক্ত ইলেকট্রনগুলি নিম্ন শক্তি স্তর থেকে উচ্চ শক্তি স্তরে লাফ দেয়। এটি নিম্ন শক্তির স্তরে ইতিবাচক চার্জযুক্ত শূন্যস্থানগুলি ছেড়ে দেয়, যাকে গর্ত বলা হয়। বিপরীতভাবে চার্জযুক্ত ইলেকট্রন এবং ছিদ্র একে অপরকে আকর্ষণ করে এবং তারা একে অপরকে প্রদক্ষিণ করতে শুরু করে, যা এক্সিটন তৈরি করে।

এক্সিটনগুলি অর্ধপরিবাহীগুলিতে অত্যাবশ্যক, তবে এখনও পর্যন্ত, বিজ্ঞানীরা সীমিত উপায়ে তাদের সনাক্ত এবং পরিমাপ করতে পারেন। একটি সমস্যা তাদের ভঙ্গুরতার মধ্যে রয়েছে - এটি মুক্ত ইলেক্ট্রন এবং গর্তে এক্সিটনগুলিকে ভেঙে ফেলতে অপেক্ষাকৃত কম শক্তি লাগে। উপরন্তু, তারা প্রকৃতিতে ক্ষণস্থায়ী - কিছু পদার্থে, এক্সিটনগুলি তৈরি হওয়ার কয়েক হাজারতম সময়ের মধ্যে নির্বাপিত হবে, সেই সময়ে উত্তেজিত ইলেকট্রনগুলি গর্তে "পতিত" হবে।

ওআইএসটি-এর ফেমটোসেকেন্ড স্পেকট্রোস্কোপি গ্রুপের সিনিয়র লেখক এবং প্রধান অধ্যাপক কেশব দানি বলেন, "বিজ্ঞানীরা প্রায় 90 বছর আগে প্রথম এক্সিটন আবিষ্কার করেছিলেন।" "কিন্তু সম্প্রতি অবধি, লোকেরা সাধারণত শুধুমাত্র এক্সিটনগুলির অপটিক্যাল বৈশিষ্ট্যগুলি পেয়েছিল--উদাহরণস্বরূপ, এক্সিটনগুলি অদৃশ্য হয়ে গেলে আলো নির্গত হয়। তাদের বৈশিষ্ট্যগুলির অন্যান্য দিক, যেমন তাদের ভরবেগ, এবং কীভাবে ইলেকট্রন এবং গর্ত একে অপরের সাথে কাজ করে, তা কেবলমাত্র হতে পারে। তাত্ত্বিকভাবে বর্ণনা থেকে উদ্ভূত।"

যাইহোক, 2020 সালের ডিসেম্বরে, OIST Femtosecond Spectroscopy Group-এর বিজ্ঞানীরা সায়েন্স জার্নালে একটি গবেষণাপত্র প্রকাশ করেছেন যা এক্সিটনে ইলেকট্রনের ভরবেগ পরিমাপের একটি বৈপ্লবিক কৌশল বর্ণনা করেছে। এখন, "সায়েন্স অ্যাডভান্সেস" এর 21 এপ্রিল সংখ্যায়, দলটি এক্সিটনের গর্তের চারপাশে ইলেক্ট্রনগুলির বিতরণ দেখানোর জন্য প্রথমবারের মতো চিত্রগুলি ক্যাপচার করতে এই প্রযুক্তিটি ব্যবহার করেছে।

গবেষকরা প্রথমে একটি দ্বি-মাত্রিক অর্ধপরিবাহীতে লেজারের ডাল পাঠিয়ে এক্সিটন তৈরি করেছিলেন - সম্প্রতি আবিষ্কৃত এক ধরণের উপাদান যা মাত্র কয়েকটি পরমাণু পুরু এবং আরও শক্তিশালী এক্সিটন রয়েছে। এক্সিটনগুলি তৈরি হওয়ার পরে, গবেষণা দলটি এক্সিটনগুলিকে পচানোর জন্য অতি-উচ্চ শক্তির ফোটন সহ একটি লেজার রশ্মি ব্যবহার করে এবং ইলেক্ট্রনগুলিকে সরাসরি উপাদান থেকে ইলেক্ট্রন মাইক্রোস্কোপে ভ্যাকুয়াম স্পেসে লাথি দেয়। ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপ উপাদান থেকে উড়ে যাওয়ার সাথে সাথে ইলেকট্রনের কোণ এবং শক্তি পরিমাপ করে। এই তথ্য থেকে, বিজ্ঞানীরা প্রাথমিক গতিবেগ নির্ধারণ করতে পারেন যখন ইলেকট্রনগুলি এক্সিটনের গর্তের সাথে একত্রিত হয়।

"এই প্রযুক্তির উচ্চ-শক্তি পদার্থবিদ্যায় কলাইডার পরীক্ষার সাথে কিছু মিল রয়েছে। কলাইডারে, কণাগুলি শক্তিশালী শক্তির দ্বারা একত্রে ভেঙে যায়, তাদের ভেঙে দেয়। সংঘর্ষের গতিপথে উত্পাদিত ছোট অভ্যন্তরীণ কণাগুলি পরিমাপ করে, বিজ্ঞানীরা টুকরো টুকরো করা শুরু করতে পারেন। একসাথে মূল সম্পূর্ণ কণার অভ্যন্তরীণ কাঠামো, "প্রফেসর দানি বলেছেন। "এখানে, আমরা অনুরূপ কিছু করছি - আমরা এক্সিটনগুলিকে ভেঙে ফেলার জন্য চরম অতিবেগুনী আলো ফোটন ব্যবহার করছি এবং ভিতরে কী আছে তা বর্ণনা করতে ইলেকট্রনের গতিপথ পরিমাপ করছি।"

"এটি একটি সাধারণ কীর্তি নয়," অধ্যাপক দানি অব্যাহত রেখেছিলেন। "পরিমাপ খুব সাবধানে করা উচিত - কম তাপমাত্রা এবং কম তীব্রতায় এক্সিটনগুলিকে গরম করা এড়াতে। একটি চিত্র অর্জন করতে কয়েক দিন সময় লেগেছিল। শেষ পর্যন্ত, দলটি সফলভাবে এক্সিটনগুলির তরঙ্গ ফাংশন পরিমাপ করেছে এবং এটি দিয়েছে ইলেক্ট্রন গর্তের চারপাশে অবস্থিত হওয়ার সম্ভাবনা।

"এই কাজটি এই ক্ষেত্রে একটি গুরুত্বপূর্ণ অগ্রগতি," বলেছেন ডাঃ জুলিয়েন মাডিও, গবেষণার প্রথম লেখক এবং OIST-এর ফেমটোসেকেন্ড স্পেকট্রোস্কোপি গ্রুপের একজন বিজ্ঞানী৷ "কণার অভ্যন্তরীণ কক্ষপথকে দৃশ্যত দেখার ক্ষমতা, কারণ তারা বৃহত্তর যৌগিক কণা তৈরি করে, যা আমাদেরকে অভূতপূর্ব উপায়ে যৌগিক কণাগুলি বুঝতে, পরিমাপ করতে এবং শেষ পর্যন্ত নিয়ন্ত্রণ করতে দেয়। এটি আমাদের এই ধারণাগুলির উপর ভিত্তি করে নতুনগুলি তৈরি করতে দেয়। কোয়ান্টাম পদার্থ এবং প্রযুক্তির অবস্থা।"