Nella ricerca per raccogliere luce per l'elettronica, il punto focale è il momento in cui i fotoni, le particelle di luce, incontrano gli elettroni, quelle particelle subatomiche caricate negativamente che costituiscono la base delle nostre moderne vite elettroniche. Se le condizioni sono giuste quando elettroni e fotoni si incontrano, può verificarsi uno scambio di energia. Massimizzare questo trasferimento di energia è la chiave per rendere possibile un'energia efficiente catturata dalla luce.

"Questo è l'ideale, ma trovare alta efficienza è molto difficile, ", ha affermato il dottorando di fisica dell'Università di Washington Sanfeng Wu. "I ricercatori hanno cercato materiali che permettano loro di farlo:un modo è quello di fare in modo che ogni fotone assorbito trasferisca tutta la sua energia a molti elettroni, invece di un solo elettrone nei dispositivi tradizionali."

Nei metodi tradizionali di raccolta della luce, l'energia di un fotone eccita solo un elettrone o nessuno a seconda del gap energetico dell'assorbitore, trasferendo solo una piccola parte di energia luminosa in elettricità. L'energia rimanente viene dispersa sotto forma di calore. Ma in un documento pubblicato il 13 maggio in Progressi scientifici , Wu, Il professore associato della UW Xiaodong Xu e i colleghi di altre quattro istituzioni descrivono un approccio promettente per indurre i fotoni a stimolare più elettroni. Il loro metodo sfrutta alcune sorprendenti interazioni a livello quantistico per dare a un fotone più potenziali partner di elettroni. Wu e Xu, che ha incarichi nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'UW e nel Dipartimento di Fisica, ha fatto questa sorprendente scoperta usando il grafene.

"Il grafene è una sostanza con molte proprietà eccitanti, " disse Wu, l'autore principale del documento. "Per i nostri scopi, mostra un'interazione molto efficiente con la luce."

Il grafene è un reticolo esagonale bidimensionale di atomi di carbonio legati tra loro, e gli elettroni sono in grado di muoversi facilmente all'interno del grafene. I ricercatori hanno preso un singolo strato di grafene, spesso solo un foglio di atomi di carbonio, e lo hanno inserito tra due strati sottili di un materiale chiamato nitruro di boro.

"Il nitruro di boro ha una struttura reticolare molto simile al grafene, ma ha proprietà chimiche molto diverse, " disse Wu. "Gli elettroni non scorrono facilmente all'interno del nitruro di boro; funge essenzialmente da isolante."

Xu e Wu hanno scoperto che quando il reticolo dello strato di grafene è allineato con gli strati di nitruro di boro, viene creato un tipo di "superreticolo" con proprietà che consentono un'optoelettronica efficiente che i ricercatori avevano cercato. Queste proprietà si basano sulla meccanica quantistica, le regole occasionalmente sconcertanti che governano le interazioni tra tutte le particelle di materia conosciute. Wu e Xu hanno rilevato regioni quantistiche uniche all'interno del superreticolo note come singolarità di Van Hove.

"Queste sono regioni di enorme densità elettronica di stati, e non vi si accedeva né nel grafene né nel solo nitruro di boro, " ha detto Wu. "Abbiamo creato queste regioni ad alta densità di elettroni in un modo accessibile solo quando entrambi gli strati erano allineati insieme".

Quando Xu e Wu diressero i fotoni energetici verso il superreticolo, hanno scoperto che quelle singolarità di Van Hove erano siti in cui un fotone energizzato poteva trasferire la sua energia a più elettroni che vengono successivamente raccolti da elettrodi, non solo un elettrone o nessuno con l'energia rimanente persa sotto forma di calore. Con una stima prudente, Xu e Wu riferiscono che all'interno di questo superreticolo un fotone potrebbe "calciare" fino a cinque elettroni per fluire come corrente.

Con la scoperta di raccogliere più elettroni dopo l'assorbimento di un fotone, i ricercatori potrebbero essere in grado di creare dispositivi altamente efficienti in grado di raccogliere luce con un grande profitto energetico. Il lavoro futuro dovrebbe scoprire come organizzare gli elettroni eccitati in corrente elettrica per ottimizzare l'efficienza di conversione dell'energia e rimuovere alcune delle proprietà più ingombranti del loro superreticolo, come la necessità di un campo magnetico. Ma credono che questo processo efficiente tra fotoni ed elettroni rappresenti un progresso importante.

"Il grafene è una tigre con un grande potenziale per l'optoelettronica, ma rinchiuso in una gabbia, " ha detto Wu. "Le singolarità in questo superreticolo sono una chiave per sbloccare quella gabbia e liberare il potenziale del grafene per l'applicazione di raccolta leggera".