Перейти к содержимому 
В погоне за более эффективными солнечными батареями и передовыми технологиями, такими как светодиоды и детекторы, ученые давно стремятся понять невидимые силы внутри этих продвинутых материалов, которые могли бы оптимизировать их работу.
И вот, международная исследовательская группа под руководством Геттингенского университета совершила открытие, которое может значительно повысить эффективность этих технологий. Их работа, недавно опубликованная в журнале Nature Photonics, раскрывает новый метод отслеживания поведения “темных экситонов” – неуловимых частиц, которые переносят энергию, но не излучают свет.
“Этот метод можно использовать не только для этих специально разработанных систем, но и для исследования новых типов материалов”, – сказал доктор Марсель Ройцель, один из исследователей.
Содержание
Что такое темные экситоны?
Хотя идея темного экситона может звучать как нечто из научной фантастики, их существование изучается физиками по всему миру на протяжении многих десятилетий. Темные экситоны – это частицы, образующиеся, когда электрон в материале поглощает энергию и перескакивает на более высокий энергетический уровень, оставляя после себя “дырку” на своем прежнем месте. Электрон и дырка притягиваются друг к другу электростатической силой, называемой кулоновским взаимодействием, и движутся вместе как единое целое.
Темными их делает то, что, в отличие от ярких экситонов (которые излучают свет, когда электрон рекомбинирует с дыркой), темные экситоны не излучают свет из-за специфических правил квантовой механики, таких как ограничения на спин или импульс. Это затрудняет их обнаружение с помощью обычных оптических методов.
Несмотря на свою невидимость, эти темные экситоны имеют решающее значение, поскольку они переносят энергию внутри материалов, особенно в сверхтонких, двумерных полупроводниковых соединениях. Их неуловимая природа делала их чрезвычайно трудными для наблюдения — до сих пор.
Отслеживание темных экситонов
Исследовательская группа под руководством профессора Стефана Матиаса с физического факультета Гёттингена разработала передовой метод, названный “Ультрабыстрая темнопольная импульсная микроскопия”. Этот метод позволяет ученым визуализировать формирование и поведение темных экситонов с беспрецедентной точностью.
Традиционная микроскопия часто испытывает трудности с обнаружением темных экситонов, потому что они не излучают свет. Чтобы преодолеть это, исследователи использовали метод темного поля, который блокирует прямой свет и захватывает только рассеянный свет. Это повышает видимость тонких изменений в материале, вызванных экситонами, облегчая их отслеживание.
Новый метод экспертов также использует ультрабыстрые лазерные импульсы для возбуждения материала и создания темных экситонов. Лазерные импульсы длятся всего фемтосекунды (одну квадриллионную долю секунды!).
Это позволяет исследователям запечатлеть точный момент образования этих экситонов и наблюдать за их поведением в режиме реального времени. Кроме того, исследователи использовали импульсную микроскопию для картирования движения и энергии частиц внутри материала. Анализируя импульс темных экситонов (направление и скорость), ученые могут понять, как энергия течет через материал на микроскопическом уровне.
Используя такой метод, команда наблюдала, как темные экситоны образуются в особой комбинации материалов – диселениде вольфрама (WSe2) и дисульфиде молибдена (MoS2).
Примечательно, что они обнаружили, что экситоны формируются всего за 55 фемтосекунд, или 0,000000000000055 секунды. Для сравнения, это настолько короткий промежуток времени, что сам свет успевает пройти лишь крошечную долю миллиметра.
Команда также достигла невероятно высокого пространственного разрешения в 480 нанометров (примерно 1/200 толщины человеческого волоса).
Создание передовых материалов
Это открытие может проложить путь к прогрессу в различных технологиях, помимо солнечных батарей, поскольку носители заряда присутствуют в каждом электронном устройстве, от батарей до GPS-систем. Картируя взаимодействие темных экситонов внутри различных материалов, исследователи могут точно настраивать конструкцию полупроводников, чтобы оптимизировать передачу энергии и уменьшить ее потери.
Например, солнечные батареи смогут улавливать больше солнечного света и более эффективно преобразовывать его в электричество. В светодиодах это может привести к созданию более ярких и долговечных источников света, потребляющих меньше энергии. Даже в новых технологиях, таких как квантовые вычисления, понимание динамики темных экситонов может помочь разработать более быстрые и стабильные устройства, контролируя движение энергии на квантовом уровне.
“Этот метод позволил нам очень точно измерить динамику носителей заряда”, – сказал доктор Дэвид Шмитт, первый автор исследования, в недавнем заявлении. “Результаты дают фундаментальное представление о том, как свойства образца влияют на движение носителей заряда”.
Способность манипулировать этими невидимыми носителями энергии может также привести к созданию совершенно новых материалов со специально разработанными электронными свойствами. Возможности огромны и могут произвести революцию в том, как мы используем и будем использовать энергию в будущем.
Читайте также: Форма одиночного фотона впервые раскрыта благодаря новой компьютерной модели
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.