Tutkijat kuvaavat ensimmäisiä hetkiä matkalla valosta sähköön

Forschungszentrum Jülichin fyysikot ovat yhteistyössä Grazin ja Marburgin yliopistojen kollegoidensa kanssa saavuttaneet tieteellisen läpimurron.

Ensimmäistä kertaa sähköenergian syntymistä valosta on kuvattu ja kuvattu teoreettisesti.

Tällä työllä on laaja-alainen merkitys, ei vähiten aurinkosähkön kestävän energiantuotannon optimoinnin kannalta. Tämä johtuu siitä, että se tarjoaa perustavanlaatuisia rakennuspalikoita esimerkiksi orgaanisissa aurinkokennoissa tapahtuvien fysikaalisten prosessien ymmärtämiseen.

Olipa kyseessä aurinkokennot tai fotonit, kun valo osuu pintaan, materiaali absorboi sen hiukkaset, fotonit, ja siten ne energisoivat elektroneja.

Prosessissa niiden spatiaalinen jakauma eli aaltofunktio muuttuu, ja elektronin ja syntyvän elektroniaukon välille muodostuu sidos eli eksitoni. Niillä on keskeinen rooli nykyaikaisissa optoelektronisissa materiaaleissa.

Vaikka ne ovat olleet tunnettuja vuosikymmeniä, niiden sisäinen kvanttimekaaninen rakenne on pysynyt pitkälti piilossa tähän asti. "Olemme nyt onnistuneet ensimmäistä kertaa kokeellisesti rekonstruoimaan eksitonin aaltofunktion spatiaalisen jakauman ja ajallisen kehityksen aivan sen olemassaolon ensimmäisinä hetkinä", kertoo Grazin yliopiston professori Peter Puschnig. "Mittaukset osoittavat, että muodostumisensa jälkeen elektroni-aukko -pari ulottuu noin kolmen molekyylin poikki ja kutistuu sitten noin 25 prosenttia ensimmäisten 400 femtosekunnin aikana", tutkija selittää.

Tämän prosessin kuvaamiseksi tutkijat virittivät ensin eksitonin ultralyhyellä valopulssilla ja sitten irrottivat elektronit parisidoksesta toisella suurenergisellä laserpulssilla. Jälkimmäinen prosessi tunnetaan fotoemissiona. ”Jos sitten mittaamme elektronien energian ja suunnan, teoreettiset mallit mahdollistavat niiden kvanttimekaanisen tilan päättelemisen. Vaihtelemalla virityksen ja sitä seuraavan laserpulssin välistä viivettä saadaan eksitonista erilaisia tilannekuvia, jotka voidaan koota yhteen kvanttimaailman videoksi”, Puschnig selittää.

Tutkijoiden mukaan menetelmä tarjoaa analyyttisen reitin elektroni-aukko-parien kuvantamiseen laajalla alueella ohuita puolijohdemateriaaleja. Se luo myös tehokkaan kehyksen eksitonisten ilmiöiden teoreettisten kuvausten vertailuun ja energiansiirron optimointiin optoelektronisissa laitteissa.

Aiheesta aiemmin:

Kuinka kouluttaa magneetti

Yhdistää valon ja aineen parhaat puolet

Kohti trionipohjaisia optisia laitteita