Molekylaarinen katapultti ampuu elektroneja fysiikan rajoilla

Tiedemiehet ovat havainneet, että elektroneja voidaan "potkaista" aurinkomateriaaleissa lähes luonnon sallimalla nopeimmalla mahdollisella nopeudella,– kyseenalaistaen pitkään vallinneet teoriat aurinkoenergiajärjestelmien toiminnasta.

Löydös voisi auttaa tutkijoita suunnittelemaan tehokkaampia tapoja kerätä auringonvaloa ja muuntaa se sähköksi.

Cambridgen yliopiston tutkijat havaitsivat varausten erottumisen yhden molekyylivärähtelyn sisällä kokeissa, joissa tallennettiin vain 18 femtosekunnin – alle 20 kvadriljoonasosaa sekunnista – kestäviä tapahtumia.

”Suunnittelemme tarkoituksella järjestelmän, jonka ei perinteisen teorian mukaan olisi pitänyt siirtää varausta näin nopeasti”, sanoo tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Pratyush Ghosh. ”Perinteisten suunnittelusääntöjen mukaan tämän järjestelmän olisi pitänyt olla hidas, ja juuri se tekee tuloksesta niin silmiinpistävän.”

”Sen sijaan, että elektroni ajelehtisi satunnaisesti, se laukaistaan yhtenä koherenttina purskeena. Värähtely toimii kuin molekyylikatapultti. Värähtelyt eivät ainoastaan seuraa prosessia, vaan ne ohjaavat sitä aktiivisesti.”

Tutkimusryhmä havaitsi varauksensiirron etenevän yhtä nopeasti kuin molekyylin oma liike asettaa vauhdin. ”Katsomme käytännössä elektronien kulkeutuvan samaan tahtiin kuin atomit itse.”

Nature Communicationsissa julkaistu tutkimus kyseenalaistaa vuosikymmeniä vanhat aurinkoenergiatutkimuksen suunnittelusäännöt.

Tähän asti tieteilijät uskoivat, että erittäin nopea varauksensiirto vaatii suuria energiaeroja materiaalien välillä ja vahvaa elektronista kytkentää, ominaisuuksia, jotka voivat heikentää hyötysuhdetta rajoittamalla jännitettä ja lisäämällä energiahäviöitä.

Kun valo osuu moniin hiilipohjaisiin materiaaleihin, se luo tiukasti sitoutuneen elektronin ja aukon parin energiapaketin eli eksitonin –. Jotta aurinkokennot, valoilmaisimet ja fotokatalyyttiset järjestelmät toimisivat tehokkaasti, tämän pari on jaettava nopeasti vapaiksi varauksiksi. Mitä nopeammin tämä erottuminen tapahtuu, sitä vähemmän energiaa menetetään.

”Tuloksemme osoittavat, että varauksen erottumisen lopullinen nopeus ei määräydy pelkästään staattisen elektronirakenteen perusteella”, sanoi tohtori Ghosh. ”Se riippuu siitä, miten molekyylit värähtelevät. Se antaa meille uuden suunnitteluperiaatteen. Tavallaan tämä antaa meille uuden säännöstön. Sen sijaan, että taistelemme molekyylivärähtelyjä vastaan, voimme oppia käyttämään oikeita värähtelyjä.”

Löytö paljastaa uuden polun tehokkaampien valonkeruuteknologioiden suunnitteluun. Erittäin nopea varauksenerottelu on perustana järjestelmille, kuten orgaanisille aurinkokennoille, valoilmaisimille ja fotokatalyyttisille laitteille, joita käytetään puhtaan vetypolttoaineen tuottamiseen, ja vastaavia prosesseja esiintyy luonnollisessa fotosynteesissä.

Aiheesta aiemmin:

Pienet kultapallot voisivat parantaa aurinkoenergian keräämistä

Kvanttimateriaali lupaa uutta puhtia aurinkokennoille