Физики из Гёттингенского университета придумали, как заглянуть в самое сердце солнечных панелей и проследить за работой “темных” экситонов – частиц, которые определяют, насколько эффективно батарея превращает свет в электричество. Теперь ученые могут не просто увидеть эти частицы, но и точно отследить их путь.
Что же такое темный экситон? Электрон, получив порцию энергии, перескакивает на новое место, но при этом остается связан с пустотой, которую покинул. Физики называют эту пустоту “дыркой”, а силу между ней и электроном – кулоновским взаимодействием. Самый простой пример: воздушный шарик, который не может улететь далеко от того места, к которому привязан веревкой.
Темными эти частицы назвали потому, что они могут переносить энергию, но не способны излучать свет. Заметить их крайне сложно. При этом темные экситоны крайне важны для изготовления особых материалов – полупроводников толщиной всего в один атом.
Профессор Штефан Матиас и его коллеги с физического факультета Гёттингенского университета исследуют свойства этих частиц уже несколько лет. В одной из недавних работ они впервые описали, за какое время образуются темные экситоны, и разработали квантово-механическую теорию, объясняющую их динамику.
В новой работе физики пошли дальше и создали специальный прибор – “сверхбыстрой темнопольный микроскоп импульсов” (Ultrafast Dark-field Momentum Microscopy). С его помощью удалось впервые проследить, как рождаются темные экситоны в необычном материале из дисульфида вольфрама (WSe₂) и дисульфида молибдена (MoS₂).
Точность наблюдений поражает: ученые смогли увидеть, как экситоны появляются за 55 фемтосекунд, и определить их положение с точностью до 480 нанометров.
“Теперь мы точно знаем, как свойства материала влияют на поведение частиц внутри него. Это поможет сделать солнечные батареи намного эффективнее”, – объясняет доктор Марсель Ройтцель, который возглавляет молодежную исследовательскую группу в команде Матиаса. Он добавляет, что новый метод пригодится не только для изучения уже известных материалов – с его помощью можно будет исследовать и совершенно новые вещества.