Jak dwa różne światy tworzą coś nowego?
Sednem sprawy jest interakcja między dwoma specyficznymi materiałami. Po jednej stronie mamy dwuwymiarowy półprzewodnik, diselenek wolframu (WSe₂). Po drugiej – organiczny związek znany jako PTCDA. Gdy te dwie warstwy spotykają się, na ich granicy dochodzi do powstania unikalnych stanów kwantowych, nazwanych ekscytonami hybrydowymi. Czym w ogóle są ekscytony? To pary nośników ładunku (elektron-dziura), które powstają w materiale, gdy ten zaabsorbuje światło. Klasyczne ekscytony w materiałach organicznych są jakby uwięzione w jednym miejscu. W dwuwymiarowych półprzewodnikach potrafią za to swobodnie wędrować. Hybryda łączy cechy obu rodziców, umożliwiając niezwykle efektywny przepływ energii z jednej warstwy do drugiej.
Czytaj też: Ta substancja miała uratować panele przed korozją. Teraz rewolucjonizuje pięć różnych branż
Prędkość tego procesu zapiera dech w piersiach. Całość dzieje się w czasie krótszym niż 10⁻¹³ sekundy. Żeby to sobie uzmysłowić: to jedna dziesięciotrylionowa część sekundy, czyli czas, w którym światło pokonuje zaledwie ułamek grubości ludzkiego włosa. To właśnie ta niewyobrażalna szybkość jest źródłem optymizmu badaczy. Aby zobaczyć zjawiska zachodzące w takim tempie, potrzebna była najnowocześniejsza aparatura pomiarowa. Zespół wykorzystał połączenie zaawansowanej spektroskopii fotoelektronowej z mikroskopią pędową, wsparte teoretycznymi modelami wielu ciał. Taki zestaw narzędzi działa jak niezwykle szybki migawka, pozwalający “sfotografować” zmiany w strukturze elektronowej materiału w skali czasowej femtosekund.
Potencjał zastosowań i realny potencjał technologii
Gdzie może przydać się ta wiedza? Najczęściej wymienianym kierunkiem są oczywiście fotowoltaika i optoelektronika. Teoretycznie, panele słoneczne wykorzystujące ten mechanizm mogłyby minimalizować straty energii podczas jej konwersji, osiągając wyższą sprawność. Ekscytony hybrydowe mogłyby też napędzać rozwój ultraszybkich przełączników optycznych czy elementów przyszłej elektroniki kwantowej.
Czytaj też: Energetyka atomowa miała jedną wielką wadę. Naukowcy właśnie znaleźli sposób jak ją wyeliminować
Nasze wyniki pozwalają nam lepiej zrozumieć i efektywnie wykorzystać fundamentalne procesy leżące u podstaw transferu energii i ładunku w nanostrukturach półprzewodnikowych. Jest to kluczowy krok w kierunku rozwoju wydajnych ogniw słonecznych, ultraszybkich komponentów optoelektronicznych i nowych zastosowań w technologii kwantowej – wyjaśnia Wiebke Bennecke z Uniwersytetu Getyngi
Podstawy teoretyczne i eksperymentalny dowód istnieją. To solidny fundament pod dalsze prace inżynieryjne. Kolejne kroki będą polegały na próbach integracji tego zjawiska w praktycznych, skalowalnych urządzeniach i sprawdzeniu, czy zachowa ono swoje unikalne właściwości poza sterylnymi warunkami laboratoryjnymi. Jeśli tak się stanie, możemy za kilka lub kilkanaście lat mówić o prawdziwej zmianie.