|
Метод отслеживания таинственных темных экситонов
|
|
|
|
В поисках более эффективных солнечных элементов и передовых технологий, таких как светодиоды и детекторы, ученые давно стремились понять невидимые силы, действующие внутри этих передовых материалов, которые могли бы оптимизировать их работу.
|
|
|
|
Теперь международная исследовательская группа, возглавляемая Геттингенским университетом, сделала 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 может быть использован не только для этих специально разработанных систем, но и для исследования новых типов материалов”, - сказал доктор Марсель Ройтцель, один из исследователей исследования.
|
|
|
|
Что такое темные экситоны?
|
|
|
|
Хотя идея о темном экситоне может показаться чем-то из области научной фантастики, их существование уже много десятилетий изучается физиками по всему миру. Темные экситоны - это частицы, образующиеся, когда электрон в материале поглощает энергию и переходит на более высокий энергетический уровень, оставляя после себя “дыру” на прежнем месте. Электрон и дырка притягиваются друг к другу электростатической силой, называемой кулоновским взаимодействием, и движутся вместе как единое целое.
|
|
|
|
|
|
|
Темным его делает то, что, в отличие от ярких экситонов (которые излучают свет, когда электрон рекомбинирует с дыркой), темные экситоны не излучают свет из-за определенных правил квантовой механики, таких как ограничения на спин или импульс. Это затрудняет их обнаружение обычными оптическими методами.
|
|
|
|
Несмотря на то, что они невидимы, эти темные экситоны имеют решающее значение, поскольку они переносят энергию внутри материалов, особенно в ультратонких двумерных полупроводниковых соединениях. Их неуловимая природа делала их чрезвычайно трудными для наблюдения — до сих пор.
|
|
Отслеживание темных экситонов
|
|
|
|
Исследовательская группа, возглавляемая профессором Стефаном Матиасом с физического факультета Геттингенского университета, разработала ультрасовременный метод под названием “Сверхбыстрая импульсная микроскопия в темном поле”. Этот метод позволяет ученым визуализировать образование и поведение темных экситонов с беспрецедентной точностью.
|
|
|
|
Традиционная микроскопия часто не может обнаружить темные экситоны, потому что они не излучают свет. Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи использовали метод темного поля, который блокирует прямой свет и улавливает только рассеянный. Это улучшает видимость тонких изменений в материале, вызванных экситонами, и облегчает их отслеживание.
|
|
|
|
Новый метод экспертов также использует сверхбыстрые лазерные импульсы для возбуждения материала и создания темных экситонов. Эти лазерные импульсы длятся всего фемтосекунды (одну квадриллионную долю секунды), что позволяет исследователям зафиксировать точный момент образования этих экситонов и наблюдать за их поведением в режиме реального времени. Кроме того, исследователи использовали импульсную микроскопию, чтобы составить карту движения и энергии частиц внутри материала. Анализируя импульс темных экситонов (направление и скорость), ученые могут понять, как энергия протекает через материал на микроскопическом уровне.
|
|
|
|
Используя этот метод, команда ученых наблюдала, как образуются темные экситоны в особой комбинации материалов — диселениде вольфрама (WSe2) и дисульфиде молибдена (MoS2).
|
|
|
|
Примечательно, что они обнаружили, что эти экситоны образуются всего за 55 фемтосекунд, или 0,000000000000055 секунд. Для сравнения, это настолько короткий промежуток времени, что сам свет за это время проходит лишь крошечную долю миллиметра.
|
|
|
|
Команда также достигла невероятно высокого пространственного разрешения - 480 нанометров (примерно 1/200 ширины человеческого волоса).
|
|
Создание современных материалов
|
|
|
|
Это открытие может проложить путь к развитию различных технологий, выходящих за рамки солнечных батарей, поскольку носители заряда присутствуют в каждом электронном устройстве, от аккумуляторов до систем GPS. Составляя карту взаимодействия темных экситонов в различных материалах, исследователи могут точно настроить конструкцию полупроводников, чтобы оптимизировать передачу энергии и снизить ее потери.
|
|
|
|
Например, солнечные элементы улавливают больше солнечного света и более эффективно преобразуют его в электричество. В светодиодах это может привести к созданию более ярких и долговечных источников света, потребляющих меньше энергии. Даже в таких новых технологиях, как квантовые вычисления, понимание динамики темных экситонов может помочь в разработке более быстрых и стабильных устройств, 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”.
|
|
|
|
Возможность манипулировать этими невидимыми носителями энергии может также привести к созданию совершенно новых материалов с специально разработанными электронными свойствами. Возможности огромны и могут революционизировать то, как мы используем энергию в будущем.
|
|
|
|
Источник
|
