De første direkte observationer af excitoner i bevægelse opnået

En kvasipartikel kaldet en exciton - ansvarlig for overførsel af energi i enheder som solceller, LED'er, og halvlederkredsløb - er blevet forstået teoretisk i årtier. Men excitonbevægelse i materialer er aldrig blevet observeret direkte.

Nu har forskere ved MIT og City College i New York opnået den bedrift, afbildning af excitons bevægelser direkte. Dette kunne muliggøre forskning, der fører til betydelige fremskridt inden for elektronik, de siger, samt en bedre forståelse af naturlige energioverførselsprocesser, såsom fotosyntese.

Forskningen er beskrevet i denne uge i tidsskriftet Naturkommunikation , i et papir medforfatter af MIT postdocs Gleb Akselrod og Parag Deotare, professorerne Vladimir Bulovic og Marc Baldo, og fire andre.

"Dette er den første direkte observation af excitondiffusionsprocesser, Bulovic siger, "viser, at krystalstruktur kan dramatisk påvirke diffusionsprocessen."

"Excitoner er kernen i enheder, der er relevante for moderne teknologi, " Akselrod forklarer:Partiklerne bestemmer, hvordan energi bevæger sig på nanoskala. "Effektiviteten af ​​enheder som fotovoltaik og LED'er afhænger af, hvor godt excitoner bevæger sig i materialet, " tilføjer han.

En exciton, som rejser gennem stof, som om det var en partikel, parrer en elektron, som har en negativ ladning, med et sted, hvor en elektron er blevet fjernet, kendt som et hul. Samlet set, den har en neutral ladning, men det kan bære energi. For eksempel, i en solcelle, en indkommende foton kan ramme en elektron, sparker det til et højere energiniveau. Den højere energi forplantes gennem materialet som en exciton:Partiklerne selv bevæger sig ikke, men den forstærkede energi overføres fra den ene til den anden.

Mens det tidligere var muligt at bestemme, hvor hurtigt, gennemsnitlig, excitoner kunne bevæge sig mellem to punkter, "Vi havde virkelig ingen oplysninger om, hvordan de kom dertil, " siger Akselrod. Sådan information er afgørende for at forstå, hvilke aspekter af et materiales struktur - f.eks. graden af ​​molekylær orden eller forstyrrelse - kan lette eller bremse denne bevægelse.

"Folk har altid antaget en bestemt adfærd af excitonerne, " siger Deotare. Nu, ved at bruge denne nye teknik - som kombinerer optisk mikroskopi med brugen af ​​særlige organiske forbindelser, der gør excitonernes energi synlig - "kan vi direkte sige, hvilken slags adfærd excitonerne bevægede sig rundt med." Dette fremskridt gav forskerne muligheden for at observere, hvilken af ​​to mulige former for "hoppende" bevægelser, der rent faktisk fandt sted.

"Dette giver os mulighed for at se nye ting, "Deotare siger, gør det muligt at demonstrere, at et materiales nanoskalastruktur bestemmer, hvor hurtigt excitoner bliver fanget, når de bevæger sig igennem det.

For nogle applikationer, såsom LED'er, Deotare siger, det er ønskeligt at maksimere denne fældefangst, så energi ikke går tabt ved lækage; til anden brug, som solceller, det er vigtigt at minimere fælden. Den nye teknik skulle give forskere mulighed for at bestemme, hvilke faktorer der er vigtigst for at øge eller mindske denne fældefangst.

"Vi viste, hvordan energistrømmen hæmmes af uorden, som er den definerende egenskab for de fleste materialer til billige solceller og LED'er, " siger Baldo.

Mens disse eksperimenter blev udført ved hjælp af et materiale kaldet tetracen - en velundersøgt arketype af en molekylær krystal - siger forskerne, at metoden burde være anvendelig til næsten ethvert krystallinsk eller tyndfilmsmateriale. De forventer, at det bliver bredt vedtaget af forskere i den akademiske verden og industrien.

"Det er en meget simpel teknik, når folk først lærer om det, " siger Akselrod, "og det nødvendige udstyr er ikke så dyrt."

Excitondiffusion er også en grundlæggende mekanisme bag fotosyntesen:Planter absorberer energi fra fotoner, og denne energi overføres af excitoner til områder, hvor den kan opbevares i kemisk form til senere brug til at understøtte plantens stofskifte. Den nye metode kan give et ekstra værktøj til at studere nogle aspekter af denne proces, siger holdet.