摘要

激子是電子和空穴在糾纏態下形成的準粒子，在半導體和低維量子材料中普遍存在。為了有效利用激子在光電子學和能量轉換中的應用，需要了解激子的完整波函數信息。然而，現有的實驗方法都無法同時獲得激子電子和空穴的多軌道貢獻。

發表在《自然通訊》的一篇論文，作者提出了一種新的實驗方法，稱為光電激子斷層掃描(PET)，可以克服上述難題。該方法結合了時間分辨光電子能譜和動量顯微鏡技術，可以直接測量激子的波函數。

作者將該方法應用于研究原型有機半導體巴克敏斯特富勒烯 (C60)。結果表明，該方法可以成功解開 C60 激子的多軌道貢獻，并獲得其局域化、電荷轉移特性以及超快激子形成和弛豫動力學等關鍵信息。

論文介紹

激子是電子和空穴對的束縛態，它們主導著材料的光吸收和發射過程，對于光電器件和太陽能電池的功能至關重要。然而，由于激子具有復雜的糾纏特性，對其行為的完整理解仍然難以實現。這種復雜性源于多個電子軌道對整體激子波函數的貢獻，給研究人員帶來了重大挑戰。

研究激子的傳統方法通常提供有限的信息。吸收光譜雖然能揭示激子能級，但缺乏空間分辨率。相反，光致發光提供了一些空間洞察力，但不能區分不同軌道的貢獻。PET通過利用時間分辨光發射和動量顯微鏡的聯合能力彌補了這一差距。

PET技術利用高能光子激發材料。這個光子同時從它的軌道上激發出一個電子并破壞激子。隨后的光電子的動量和能量被精確地測量出來。通過分析這些測量值對初始激發和光發射事件之間的各種時間延遲的影響，研究人員可以重建激子波函數。這種重建可以量化每個電子軌道對整個激子態的貢獻。

研究人員將這項技術應用于巴克敏斯特富勒烯(C60)，這是一種被廣泛研究的有機半導體，以其高效的激子形成而聞名。通過分析動量分辨光電子能譜作為時間延遲的函數，他們能夠細致地解開不同軌道對C60激子波函數的貢獻。這一壯舉提供了前所未有的關鍵激子特性，包括局域化(電子-空穴結合的程度)，電荷轉移特性(激發期間軌道之間電子密度轉移的程度)，以及超快形成和弛豫動力學。

PET的意義遠遠超出了C60激子的研究。這項技術具有巨大的潛力，可以徹底改變我們對廣泛材料中激子的理解，包括有機半導體、過渡金屬二硫族化合物和低維量子材料。通過揭示激子的多軌道性質，PET可以為優化光電器件、設計高效太陽能電池以及從根本上理解新材料中的光物質相互作用提供寶貴的見解。

然而，局限性是存在的。PET需要復雜的儀器和先進的數據分析方法。此外，它對于研究壽命相對較長的激子是最有效的。然而，正在進行的研究正在不斷完善PET，鞏固其作為揭示激子世界復雜性的強大工具的地位。