Ученые открыли новый метод отслеживания загадочных «темных экситонов»
В поисках более эффективных солнечных батарей и передовых технологий, таких как светодиоды и детекторы, ученые давно пытаются понять невидимые силы внутри этих передовых материалов, которые могли бы оптимизировать их работу.
Теперь международная исследовательская группа под руководством Геттингенского университета сделала открытие, которое может значительно повысить эффективность этих технологий. Их работа, недавно опубликованная в журнале Nature Photonics, раскрывает новый метод отслеживания поведения «темных экситонов», неуловимых частиц, которые несут энергию, но не излучают свет.
«Этот метод может быть использован не только для специально разработанных систем, но и для исследования новых типов материалов», — сказал доктор Марсель Ройтцель, один из исследователей.
Что такое темные экситоны?
Хотя идея темных экситонов может показаться чем-то из области научной фантастики, их существование изучается физиками по всему миру уже много десятилетий. Темные экситоны — это частицы, образующиеся, когда электрон в материале поглощает энергию и переходит на более высокий энергетический уровень, оставляя после себя «дыру» на прежнем месте. Электрон и дыра притягиваются друг к другу электростатической силой, называемой кулоновским взаимодействием, и движутся вместе как единое целое.
Темным экситон делает то, что в отличие от светлых экситонов (которые излучают свет, когда электрон рекомбинирует с дыркой), темные экситоны не излучают свет из-за особых правил квантовой механики, таких как ограничения на спин или импульс. Поэтому их трудно обнаружить с помощью обычных оптических методов.
Несмотря на свою невидимость, темные экситоны имеют огромное значение, поскольку они переносят энергию внутри материалов, особенно в ультратонких двумерных полупроводниковых соединениях. Однако из-за своей неуловимой природы их крайне сложно наблюдать — до сих пор.
Отслеживание темных экситонов
Исследовательская группа под руководством профессора Штефана Матиаса с физического факультета Геттингена разработала передовой метод под названием «Микроскопия сверхбыстрого момента темного поля». Этот метод позволяет ученым визуализировать формирование и поведение темных экситонов с беспрецедентной точностью.
Традиционная микроскопия часто не позволяет обнаружить темные экситоны, поскольку они не излучают свет. Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи использовали метод темного поля, который блокирует прямой свет и улавливает только рассеянный. Это улучшает видимость тонких изменений в материале, вызванных экситонами, что облегчает их отслеживание.
Новый метод экспертов также использует сверхбыстрые лазерные импульсы для возбуждения материала и создания темных экситонов. Эти лазерные импульсы длятся всего фемтосекунды (одну квадриллионную долю секунды), что позволяет исследователям зафиксировать точный момент образования экситонов и наблюдать за их поведением в режиме реального времени. Кроме того, исследователи использовали импульсную микроскопию, чтобы составить карту движения и энергии частиц внутри материала. Анализируя импульс (направление и скорость) темных экситонов, ученые могут понять, как энергия течет через материал на микроскопическом уровне.
Используя этот метод, команда исследователей наблюдала, как темные экситоны образуются в особой комбинации материалов — диселениде вольфрама (WSe₂) и дисульфиде молибдена (MoS₂).
Примечательно, что экситоны образуются всего за 55 фемтосекунд или 0,000000000000055 секунды. Для сравнения, это настолько короткий промежуток времени, что сам свет проходит за это время лишь крошечную долю миллиметра.
Команда также достигла невероятно тонкого пространственного разрешения в 480 нанометров (около 1/200 ширины человеческого волоса).
Создание перспективных материалов
Это открытие может проложить путь к развитию различных технологий, помимо солнечных батарей, поскольку носители заряда присутствуют в каждом электронном устройстве, от аккумуляторов до систем GPS. Составив карту взаимодействия темных экситонов в различных материалах, исследователи смогут точно настроить конструкцию полупроводников для оптимизации передачи энергии и снижения ее потерь.
Например, солнечные батареи улавливают больше солнечного света и эффективнее преобразуют его в электричество. В светодиодах это может привести к созданию более ярких и долговечных ламп, потребляющих меньше энергии. Даже в таких развивающихся технологиях, как квантовые компьютеры, понимание динамики темных экситонов может помочь создать более быстрые и стабильные устройства, управляя движением энергии на квантовом уровне.
«Этот метод позволил нам очень точно измерить динамику носителей заряда», — сказал в недавнем заявлении доктор Дэвид Шмитт, первый автор исследования. «Полученные результаты дают фундаментальное представление о том, как свойства образца влияют на движение носителей заряда».
Способность манипулировать этими невидимыми носителями энергии может также привести к созданию совершенно новых материалов с индивидуальными электронными свойствами. Возможности огромны и могут произвести революцию в том, как мы будем получать и использовать энергию в будущем.
Источник: New-Science.ru https://new-science.ru/uchenye-otkryli-novyj-metod-otslezhivaniya-zagadochnyh-temnyh-eksitonov/