Katse pimeyteen

Göttingenin yliopiston johtama kansainvälinen tutkimusryhmä kehittää uutta menetelmää tummien eksitonien ultranopeaan kuvantamiseen

Miten uusinta teknologiaa, kuten aurinkokennoja, voidaan parantaa? Göttingenin yliopiston johtama kansainvälinen tutkimusryhmä auttaa löytämään vastauksia tällaisiin kysymyksiin uudella tekniikalla.

Ensimmäistä kertaa pienten, vaikeasti havaittavien hiukkasten eli tummien eksitonien muodostumista voidaan seurata tarkasti ajassa ja tilassa. Näillä näkymättömillä energian kantajilla tulee olemaan keskeinen rooli tulevaisuuden aurinkokennoissa, ledeissä ja ilmaisimissa.

Tummat eksitonit ovat pieniä pareja, jotka muodostuvat yhdestä elektronista yhdessä aukon kanssa, jonka se jättää jälkeensä, kun se on virittynyt. Ne kuljettavat energiaa, mutta eivät emittoi valoa. Tästä juontuukin nimi tumma.

Yksi tapa visualisoida eksitoni on kuvitella ilmapallo (edustaa elektronia), joka lentää pois ja jättää jälkeensä tyhjän tilan (aukon), johon se pysyy yhteydessä Coulombin vuorovaikutuksena tunnetulla voimalla.

Tutkijat puhuvat "hiukkastiloista", joita on vaikea havaita, mutta jotka ovat erityisen tärkeitä atomisesti ohuissa, kaksiulotteisissa rakenteissa erityisissä puolijohdeyhdisteissä.

Aiemmassa julkaisussa Göttingenin yliopiston professori Stefan Mathiasin johtama tutkimusryhmä pystyi osoittamaan, kuinka nämä tummat eksitonit syntyvät käsittämättömän lyhyessä ajassa, ja kuvailla niiden dynamiikkaa kvanttimekaanisen teorian avulla.

Tässä tutkimuksessa tiimi on nyt kehittänyt uuden tekniikan, joka tunnetaan nimellä "Ultrafast Dark-field Momentum Microscopy", ja käytti sitä ensimmäistä kertaa. Tämän ansiosta he pystyivät osoittamaan, kuinka tummia eksitonit muodostuu erityisessä materiaalissa, joka on valmistettu volframidiselenidistä (WSe₂) ja molybdeenidisulfidista (MoS₂) – ja hämmästyttävässä ajassa, joka kestää vain 55 femtosekuntia, 480 nanometrin tarkkuudella.

"Tämän menetelmän avulla pystyimme mittaamaan varauksenkuljettajien dynamiikkaa erittäin tarkasti", selittää tohtori David Schmitt.

”Tulokset antavat perustavanlaatuisen käsityksen siitä, miten näytteen ominaisuudet vaikuttavat varauksenkuljettajien liikkeisiin. Tämä tarkoittaa, että tällä tekniikalla voidaan tulevaisuudessa erityisesti parantaa esimerkiksi aurinkokennojen laatua ja siten myös tehokkuutta.

Tohtori Marcel Reutzel, lisää: "Tämä tarkoittaa, että tätä tekniikkaa voidaan käyttää näiden erityisesti suunniteltujen järjestelmien lisäksi myös uudentyyppisten materiaalien tutkimukseen."

Aiheesta aiemmin:

Viritettävät kvanttiloukut eksitoneille

Pistetään eksitonit surffailemaan

Kohti trionipohjaisia optisia laitteita