دریافت ہونے کے ایک صدی بعد، انسانوں نے پہلی بار ایکزٹون کی الیکٹران مداری تصویر حاصل کی ہے۔

اوکیناوا انسٹی ٹیوٹ آف سائنس اینڈ ٹیکنالوجی (OIST) کے محققین نے ٹنگسٹن ڈیسلینائیڈ کی ایک پرت میں ایکزٹون کے ذریعے خارج ہونے والے فوٹو الیکٹران کی رفتار کی تقسیم کی پیمائش کی، اور ایسی تصاویر حاصل کیں جن میں اندرونی مدار یا excitons میں ذرات کی مقامی تقسیم کو دکھایا گیا تھا۔ ایک ایسا مقصد جسے سائنسدان تقریباً ایک صدی قبل ایکسائٹن کی دریافت کے بعد سے حاصل کرنے میں ناکام رہے ہیں۔

Excitons سیمی کنڈکٹرز میں پائے جانے والے مادے کی پرجوش حالت ہیں - اس قسم کا مواد بہت سے جدید تکنیکی آلات، جیسے شمسی خلیات، ایل ای ڈی، لیزر اور اسمارٹ فونز کی کلید ہے۔

"Excitons بہت منفرد اور دلچسپ ذرات ہیں؛ وہ برقی طور پر غیر جانبدار ہوتے ہیں، جس کا مطلب ہے کہ وہ مواد میں دوسرے ذرات جیسے الیکٹران سے بہت مختلف طریقے سے برتاؤ کرتے ہیں۔ ان کی موجودگی واقعی مواد کے روشنی پر رد عمل کا طریقہ بدل سکتی ہے،" کامن نے کہا ڈاکٹر مائیکل مین، OIST کے Femtosecond Spectroscopy Group میں پہلے مصنف اور سائنسدان۔ "یہ کام ہمیں excitons کی نوعیت کو مکمل طور پر سمجھنے کے قریب لاتا ہے۔"

Excitons اس وقت بنتے ہیں جب ایک سیمی کنڈکٹر فوٹون کو جذب کرتا ہے، جس کی وجہ سے منفی چارج شدہ الیکٹران کم توانائی کی سطح سے اعلی توانائی کی سطح پر چھلانگ لگاتے ہیں۔ یہ نچلی توانائی کی سطحوں پر مثبت چارج شدہ خالی جگہوں کو چھوڑ دیتا ہے، جسے سوراخ کہتے ہیں۔ مخالف چارج شدہ الیکٹران اور سوراخ ایک دوسرے کو اپنی طرف متوجہ کرتے ہیں، اور وہ ایک دوسرے کے گرد چکر لگانے لگتے ہیں، جس سے excitons پیدا ہوتا ہے۔

سیمی کنڈکٹرز میں Excitons اہم ہیں، لیکن اب تک، سائنسدان صرف ایک محدود طریقے سے ان کا پتہ لگا سکتے ہیں اور ان کی پیمائش کر سکتے ہیں۔ ایک مسئلہ ان کی نزاکت میں پنہاں ہے - یہ ایکزٹون کو آزاد الیکٹرانوں اور سوراخوں میں توڑنے کے لیے نسبتاً کم توانائی لیتا ہے۔ مزید برآں، وہ فطرت میں تیز رفتار ہیں - کچھ مواد میں، excitons ان کے بننے کے چند ہزارویں وقت کے اندر بجھ جائیں گے، اس وقت پرجوش الیکٹران دوبارہ سوراخ میں "گر" جائیں گے۔

پروفیسر کیشو دانی، سینئر مصنف اور OIST کے فیمٹوسیکنڈ سپیکٹروسکوپی گروپ کے سربراہ نے کہا، "سائنس دانوں نے پہلی بار تقریباً 90 سال پہلے excitons دریافت کیے تھے۔" "لیکن حال ہی میں، لوگوں کو عام طور پر صرف excitons کی نظری خصوصیات ملتی ہیں - مثال کے طور پر، excitons غائب ہونے پر روشنی خارج ہوتی ہے۔ ان کی خصوصیات کے دیگر پہلو، جیسے کہ ان کی رفتار، اور کس طرح الیکٹران اور سوراخ ایک دوسرے کے ساتھ کام کرتے ہیں، صرف ہو سکتے ہیں۔ نظریاتی طور پر بیان کریں سے ماخوذ۔"

تاہم، دسمبر 2020 میں، OIST Femtosecond Spectroscopy Group کے سائنسدانوں نے سائنس کے جریدے میں ایک مقالہ شائع کیا جس میں excitons میں الیکٹران کی رفتار کو ماپنے کے لیے ایک انقلابی تکنیک کی وضاحت کی گئی تھی۔ اب، "سائنس ایڈوانسز" کے 21 اپریل کے شمارے میں، ٹیم نے اس ٹیکنالوجی کو پہلی بار تصاویر لینے کے لیے استعمال کیا ہے جس میں excitons میں سوراخوں کے ارد گرد الیکٹران کی تقسیم کو دکھایا گیا ہے۔

محققین نے سب سے پہلے ایک دو جہتی سیمی کنڈکٹر کو لیزر پلس بھیج کر ایکزٹون تیار کیا - ایک قسم کا مواد جو حال ہی میں دریافت ہوا ہے جو صرف چند ایٹموں کی موٹی ہے اور اس میں زیادہ طاقتور excitons ہوتے ہیں۔ excitons کے بننے کے بعد، ریسرچ ٹیم نے ایک لیزر بیم کا استعمال کیا جس میں الٹرا ہائی انرجی فوٹان کے ساتھ excitons کو گلنا اور الیکٹرانوں کو براہ راست مواد سے باہر نکال کر الیکٹران مائکروسکوپ میں ویکیوم اسپیس میں لے جاتا ہے۔ الیکٹران خوردبین الیکٹران کے زاویہ اور توانائی کی پیمائش کرتا ہے جب وہ مواد سے باہر اڑتے ہیں۔ اس معلومات سے، سائنس دان ابتدائی رفتار کا تعین کر سکتے ہیں جب الیکٹران excitons کے سوراخوں کے ساتھ مل جاتے ہیں۔

"اس ٹیکنالوجی میں ہائی انرجی فزکس میں تصادم کے تجربے کے ساتھ کچھ مماثلتیں ہیں۔ ٹکرانے والے میں، ذرات مضبوط توانائی کے ذریعے آپس میں ٹوٹ جاتے ہیں، ان کو توڑ دیتے ہیں۔ تصادم کی رفتار میں پیدا ہونے والے چھوٹے اندرونی ذرات کی پیمائش کرکے، سائنس دان ٹکڑے ٹکڑے کرنا شروع کر سکتے ہیں۔ ایک ساتھ اصل مکمل ذرہ کی اندرونی ساخت، "پروفیسر دانی نے کہا۔ "یہاں، ہم کچھ ایسا ہی کر رہے ہیں - ہم excitons کو توڑنے کے لیے انتہائی الٹرا وائلٹ لائٹ فوٹونز کا استعمال کر رہے ہیں، اور الیکٹران کی رفتار کی پیمائش کر رہے ہیں کہ اندر کیا ہے۔"

"یہ کوئی آسان کارنامہ نہیں ہے،" پروفیسر دانی نے جاری رکھا۔ "پیمائش بہت احتیاط سے کی جانی چاہیے - کم درجہ حرارت اور کم شدت پر تاکہ excitons کو گرم کرنے سے بچا جا سکے۔ ایک تصویر حاصل کرنے میں کچھ دن لگے۔ آخر میں، ٹیم نے excitons کی لہر کی تقریب کو کامیابی سے ناپ لیا، اور اس نے یہ امکان ہے کہ الیکٹران سوراخ کے ارد گرد واقع ہو سکتا ہے۔

مطالعہ کے پہلے مصنف اور OIST کے Femtosecond Spectroscopy Group کے سائنسدان ڈاکٹر جولین میڈیو نے کہا کہ "یہ کام اس میدان میں ایک اہم پیش رفت ہے۔" "ذرات کے اندرونی مدار کو بصری طور پر دیکھنے کی صلاحیت، کیونکہ وہ بڑے جامع ذرات بناتے ہیں، جو ہمیں جامع ذرات کو بے مثال طریقے سے سمجھنے، پیمائش کرنے اور بالآخر کنٹرول کرنے کی اجازت دیتا ہے۔ یہ ہمیں ان تصورات کی بنیاد پر نئے تخلیق کرنے کی اجازت دیتا ہے۔ کوانٹم مادے اور ٹیکنالوجی کی حالت۔"