Физици създадоха хибридна частица за соларните клетки на бъдещето

Международен екип от учени от университетите в Гьотинген, Марбург, Берлин и Грац постигна важен пробив във физиката на полупроводниците. Изследователите комбинираха два обещаващи вида материали (органични и двуизмерни полупроводници) и откриха на границата им принципно нов тип квазичастици. Резултатите са публикувани в списание Nature Physics.

Екситоните са квантовомеханични частици, състоящи се от електрон, свързан с електронна дупка. Те възникват при поглъщане на светлина в полупроводниците и играят ключова роля в работата на слънчевите клетки и светодиодите. В различните материали обаче екситоните се държат по различен начин: в органичните полупроводници те са почти неподвижни, буквално „заклещени“ на едно място, докато в двуизмерните полупроводници са свободни и могат да се движат из целия материал.

Учените решават да разберат какво се случва, ако се комбинират тези два класа вещества.

За експеримента те използват двуизмерния материал волфрамов диселенид (WSe₂) и органичния полупроводник PTCDA. С помощта на усъвършенствана фотоелектронна спектроскопия (т.нар. импулсна микроскопия), изследователите успяват буквално да заснемат „филм“ за това как електронната структура се променя под въздействието на светлината.

Резултатът надхвърли очакванията на специалистите. На границата между двата материала се появиха хибридни екситони, които съчетават свойствата на двата типа.

„Ключът към свръхбързия пренос на енергия е образуването на хибридни екситони, за които сега открихме характерен експериментален подпис.“

обяснява професор Стефан Матиас от университета в Гьотинген

Бързината на процесите учудва дори самите учени. Оказало се, че поглъщането на фотон в двуизмерен материал води до прехвърляне на енергия в органичния слой за по-малко от една 10-трилионна част от секундата. Подобна времева разделителна способност (квадрилионни части от секундата) позволи за първи път да се проследят в детайли фундаменталните микроскопични процеси на границата между материалите.

Практическото значение на откритието не може да бъде подценено.

„Нашите резултати ни позволяват да разберем по-добре и да използваме ефективно фундаменталните процеси на пренос на енергия и заряд в полупроводниковите наноструктури. Това е решаваща стъпка към ефективни соларни клетки, свръхбързи оптоелектронни компоненти и нови приложения в квантовите технологии.“

казва Вибке Бенеке, първи автор на изследването

Тя отбелязва и символиката на откритието: в годината на 100-годишнината от създаването на квантовата механика то ясно показва колко важна е тази теория за бъдещите технологии.