Una quasiparticella chiamata eccitone, responsabile del trasferimento di energia all'interno di dispositivi come celle solari, LED, e circuiti a semiconduttore, è stato compreso teoricamente per decenni. Ma il movimento degli eccitoni all'interno dei materiali non è mai stato osservato direttamente.

Ora gli scienziati del MIT e del City College di New York hanno raggiunto quell'impresa, l'imaging diretto dei movimenti degli eccitoni. Ciò potrebbe consentire alla ricerca di condurre a significativi progressi nel campo dell'elettronica, dicono, nonché una migliore comprensione dei processi naturali di trasferimento di energia, come la fotosintesi.

La ricerca è descritta questa settimana sulla rivista Comunicazioni sulla natura , in un articolo scritto dai postdoc del MIT Gleb Akselrod e Parag Deotare, i professori Vladimir Bulovic e Marc Baldo, e altri quattro.

"Questa è la prima osservazione diretta dei processi di diffusione degli eccitoni, " Bulovic dice, "dimostrando che la struttura cristallina può influenzare notevolmente il processo di diffusione".

"Gli eccitoni sono al centro di dispositivi rilevanti per la tecnologia moderna, " Akselrod spiega:Le particelle determinano come l'energia si muove su scala nanometrica. "L'efficienza di dispositivi come il fotovoltaico e i LED dipende da quanto bene gli eccitoni si muovono all'interno del materiale, " Aggiunge.

un eccitone, che viaggia attraverso la materia come se fosse una particella, accoppia un elettrone, che porta una carica negativa, con un luogo in cui è stato rimosso un elettrone, conosciuto come un buco. Globale, ha una carica neutra, ma può trasportare energia. Per esempio, in una cella solare, un fotone in arrivo può colpire un elettrone, portandolo a un livello di energia più alto. Quell'energia superiore si propaga attraverso il materiale come un eccitone:le particelle stesse non si muovono, ma l'energia potenziata viene trasmessa dall'uno all'altro.

Mentre in precedenza era possibile determinare la velocità, in media, gli eccitoni potrebbero spostarsi tra due punti, "davvero non avevamo alcuna informazione su come fossero arrivati ​​lì, " dice Akselrod. Tali informazioni sono essenziali per comprendere quali aspetti della struttura di un materiale, ad esempio, il grado di ordine o disordine molecolare potrebbe facilitare o rallentare quel movimento.

"La gente ha sempre assunto un certo comportamento degli eccitoni, " dice Deotare. Ora, utilizzando questa nuova tecnica, che combina la microscopia ottica con l'uso di particolari composti organici che rendono visibile l'energia degli eccitoni, "possiamo dire direttamente con che tipo di comportamento si muovevano gli eccitoni". Questo progresso ha fornito ai ricercatori la capacità di osservare quale dei due possibili tipi di movimento "saltellante" stava effettivamente avvenendo.

"Questo ci permette di vedere cose nuove, "Deotare dice, rendendo possibile dimostrare che la struttura su scala nanometrica di un materiale determina la velocità con cui gli eccitoni vengono intrappolati mentre si muovono attraverso di esso.

Per alcune applicazioni, come LED, Deotare dice, è desiderabile massimizzare questo intrappolamento, in modo che l'energia non venga persa per perdite; per altri usi, come le celle solari, è essenziale ridurre al minimo l'intrappolamento. La nuova tecnica dovrebbe consentire ai ricercatori di determinare quali fattori sono più importanti per aumentare o diminuire questa trappola.

"Abbiamo mostrato come il flusso di energia è ostacolato dal disordine, che è la caratteristica distintiva della maggior parte dei materiali per celle solari e LED a basso costo, "dice Baldo.

Sebbene questi esperimenti siano stati condotti utilizzando un materiale chiamato tetracene, un archetipo ben studiato di un cristallo molecolare, i ricercatori affermano che il metodo dovrebbe essere applicabile a quasi tutti i materiali cristallini o a film sottile. Si aspettano che venga ampiamente adottato dai ricercatori nel mondo accademico e industriale.

"È una tecnica molto semplice, una volta che le persone lo imparano, "Akselrod dice, "e l'attrezzatura necessaria non è così costosa."

La diffusione degli eccitoni è anche un meccanismo di base alla base della fotosintesi:le piante assorbono energia dai fotoni, e questa energia viene trasferita dagli eccitoni alle aree dove può essere immagazzinata in forma chimica per un uso successivo nel sostenere il metabolismo della pianta. Il nuovo metodo potrebbe fornire uno strumento aggiuntivo per studiare alcuni aspetti di questo processo, dice la squadra.