In de zoektocht om licht te oogsten voor elektronica, het brandpunt is het moment waarop fotonen - lichtdeeltjes - elektronen ontmoeten, die negatief geladen subatomaire deeltjes die de basis vormen van ons moderne elektronische leven. Als de omstandigheden goed zijn wanneer elektronen en fotonen elkaar ontmoeten, een uitwisseling van energie kan plaatsvinden. Het maximaliseren van die overdracht van energie is de sleutel tot het mogelijk maken van efficiënte, door licht opgevangen energieën.

"Dit is de ideale maar het vinden van een hoog rendement is erg moeilijk, "Zei Sanfeng Wu, doctoraalstudent natuurkunde van de Universiteit van Washington. "Onderzoekers zijn op zoek naar materialen waarmee ze dit kunnen doen - een manier is om elk geabsorbeerd foton al zijn energie over te dragen aan veel elektronen, in plaats van slechts één elektron in traditionele apparaten."

Bij traditionele methoden voor het oogsten van licht, energie van één foton wekt slechts één of geen elektron op, afhankelijk van de energiekloof van de absorber, het omzetten van slechts een klein deel van de lichtenergie in elektriciteit. De resterende energie gaat verloren als warmte. Maar in een krant uitgebracht op 13 mei in wetenschappelijke vooruitgang , Wu, UW universitair hoofddocent Xiaodong Xu en collega's van vier andere instellingen beschrijven een veelbelovende benadering om fotonen over te halen om meerdere elektronen te stimuleren. Hun methode maakt gebruik van enkele verrassende interacties op kwantumniveau om één foton meerdere potentiële elektronenpartners te geven. Wu en Xu, die aanstellingen heeft bij de UW's Department of Materials Science &Engineering en de Department of Physics, deed deze verrassende ontdekking met behulp van grafeen.

"Grafeen is een stof met veel opwindende eigenschappen, " zei Wu, hoofdauteur van de krant. "Voor onze doeleinden het toont een zeer efficiënte interactie met licht."

Grafeen is een tweedimensionaal hexagonaal rooster van aan elkaar gebonden koolstofatomen, en elektronen kunnen gemakkelijk binnen grafeen bewegen. De onderzoekers namen een enkele laag grafeen - slechts één laag koolstofatomen dik - en plaatsten deze tussen twee dunne lagen van een materiaal dat boornitride wordt genoemd.

"Boornitride heeft een roosterstructuur die erg lijkt op grafeen, maar heeft zeer verschillende chemische eigenschappen, " zei Wu. "Elektronen stromen niet gemakkelijk binnen boornitride; het fungeert in wezen als een isolator."

Xu en Wu ontdekten dat wanneer het rooster van de grafeenlaag wordt uitgelijnd met de lagen boornitride, er wordt een soort "superrooster" gecreëerd met eigenschappen die efficiënte opto-elektronica mogelijk maken waar onderzoekers naar hadden gezocht. Deze eigenschappen zijn afhankelijk van de kwantummechanica, de soms verbijsterende regels die de interacties tussen alle bekende materiedeeltjes beheersen. Wu en Xu ontdekten unieke kwantumgebieden binnen het superrooster dat bekend staat als Van Hove-singulariteiten.

"Dit zijn gebieden met een enorme elektronendichtheid van toestanden, en ze waren niet alleen toegankelijk in grafeen of boornitride, " zei Wu. "We hebben deze gebieden met een hoge elektronendichtheid alleen op een toegankelijke manier gecreëerd als beide lagen op elkaar zijn uitgelijnd."

Toen Xu en Wu energetische fotonen naar het superrooster richtten, ze ontdekten dat die Van Hove-singulariteiten locaties waren waar één geactiveerd foton zijn energie kon overbrengen naar meerdere elektronen die vervolgens door elektroden worden verzameld - niet slechts één of geen elektron met de resterende energie verloren als warmte. Volgens een conservatieve schatting Xu en Wu melden dat binnen dit superrooster één foton maar liefst vijf elektronen kan "schoppen" om als stroom te stromen.

Met de ontdekking van het verzamelen van meerdere elektronen bij de absorptie van één foton, onderzoekers kunnen mogelijk zeer efficiënte apparaten maken die licht kunnen oogsten met een grote energiewinst. Toekomstig werk zou moeten uitwijzen hoe de aangeslagen elektronen in elektrische stroom kunnen worden georganiseerd om de energieomzettingsefficiëntie te optimaliseren en enkele van de meer omslachtige eigenschappen van hun superrooster te verwijderen, zoals de behoefte aan een magnetisch veld. Maar ze geloven dat dit efficiënte proces tussen fotonen en elektronen een grote vooruitgang betekent.

"Grafeen is een tijger met een groot potentieel voor opto-elektronica, maar opgesloten in een kooi, " zei Wu. "De singulariteiten in dit superrooster zijn een sleutel tot het ontgrendelen van die kooi en het vrijgeven van het potentieel van grafeen voor lichte oogsttoepassingen."