Een quasideeltje dat een exciton wordt genoemd - verantwoordelijk voor de overdracht van energie binnen apparaten zoals zonnecellen, LED's, en halfgeleiderschakelingen - wordt al tientallen jaren theoretisch begrepen. Maar excitonbewegingen in materialen zijn nooit direct waargenomen.

Nu hebben wetenschappers van het MIT en het City College van New York die prestatie bereikt, het direct in beeld brengen van de bewegingen van excitonen. Dit kan onderzoek mogelijk maken dat leidt tot aanzienlijke vooruitgang op het gebied van elektronica, ze zeggen, evenals een beter begrip van natuurlijke energieoverdrachtsprocessen, zoals fotosynthese.

Het onderzoek wordt deze week beschreven in het tijdschrift Natuurcommunicatie , in een paper, mede geschreven door MIT-postdocs Gleb Akselrod en Parag Deotare, professoren Vladimir Bulovic en Marc Baldo, en vier anderen.

"Dit is de eerste directe waarneming van exciton-diffusieprocessen, "Bulovic zegt, "wat aantoont dat de kristalstructuur het diffusieproces dramatisch kan beïnvloeden."

"Excitaties vormen de kern van apparaten die relevant zijn voor moderne technologie, " Akselrod legt uit:De deeltjes bepalen hoe energie beweegt op nanoschaal. "De efficiëntie van apparaten zoals fotovoltaïsche cellen en LED's hangt af van hoe goed excitonen in het materiaal bewegen, " hij voegt toe.

een exciton, die door de materie reist alsof het een deeltje is, koppelt een elektron, die een negatieve lading draagt, met een plaats waar een elektron is verwijderd, bekend als een gat. Algemeen, het heeft een neutrale lading, maar het kan energie dragen. Bijvoorbeeld, in een zonnecel, een binnenkomend foton kan een elektron raken, schoppen het naar een hoger energieniveau. Die hogere energie wordt door het materiaal voortgeplant als een exciton:de deeltjes zelf bewegen niet, maar de opgevoerde energie wordt van de een naar de ander doorgegeven.

Waar voorheen wel kon worden bepaald hoe snel, gemiddeld, excitonen kunnen tussen twee punten bewegen, "We hadden echt geen informatie over hoe ze daar kwamen, " zegt Akselrod. Dergelijke informatie is essentieel om te begrijpen welke aspecten van de structuur van een materiaal, bijvoorbeeld, de mate van moleculaire orde of wanorde - kan die beweging vergemakkelijken of vertragen.

"Mensen namen altijd bepaald gedrag van de excitonen aan, " zegt Deotare. Nu, met behulp van deze nieuwe techniek - die optische microscopie combineert met het gebruik van bepaalde organische verbindingen die de energie van excitonen zichtbaar maken - "kunnen we direct zeggen met welk soort gedrag de excitonen zich bewogen." Deze vooruitgang bood de onderzoekers de mogelijkheid om te observeren welke van de twee mogelijke soorten "springende" bewegingen daadwerkelijk plaatsvond.

"Hierdoor kunnen we nieuwe dingen zien, "Deotare zegt, waardoor het mogelijk wordt om aan te tonen dat de nanoschaalstructuur van een materiaal bepaalt hoe snel excitonen vast komen te zitten als ze er doorheen bewegen.

Voor sommige toepassingen is zoals LED's, Deotare zegt, het is wenselijk om deze vangst te maximaliseren, zodat er geen energie verloren gaat door lekkage; voor ander gebruik, zoals zonnecellen, het is essentieel om de trapping te minimaliseren. Met de nieuwe techniek moeten onderzoekers kunnen bepalen welke factoren het belangrijkst zijn bij het vergroten of verkleinen van deze trapping.

"We hebben laten zien hoe de energiestroom wordt belemmerd door wanorde, wat het bepalende kenmerk is van de meeste materialen voor goedkope zonnecellen en LED's, ' zegt Baldo.

Hoewel deze experimenten werden uitgevoerd met behulp van een materiaal dat tetraceen wordt genoemd - een goed bestudeerd archetype van een moleculair kristal - zeggen de onderzoekers dat de methode van toepassing zou moeten zijn op bijna elk kristallijn of dunnefilmmateriaal. Ze verwachten dat het op grote schaal wordt toegepast door onderzoekers in de academische wereld en de industrie.

"Het is een heel eenvoudige techniek, als mensen het leren, "Akselrod zegt, "en de benodigde apparatuur is niet zo duur."

Excitondiffusie is ook een basismechanisme dat ten grondslag ligt aan fotosynthese:planten absorberen energie van fotonen, en deze energie wordt door excitonen overgebracht naar gebieden waar het in chemische vorm kan worden opgeslagen voor later gebruik ter ondersteuning van het metabolisme van de plant. De nieuwe methode kan een extra hulpmiddel zijn om sommige aspecten van dit proces te bestuderen, zegt het team.