Da quando J.J. 1897 scoperta di Thompson dell'elettrone, gli scienziati hanno tentato di descrivere il movimento della particella subatomica utilizzando una varietà di mezzi diversi. Gli elettroni sono troppo piccoli e veloci per essere visti, anche con l'aiuto di un microscopio ottico. Ciò ha reso molto difficile la misurazione del movimento di un elettrone nell'ultimo secolo. Però, nuova ricerca dell'Unità di spettroscopia a femtosecondi presso l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), pubblicato in Nanotecnologia della natura , ha reso questo processo molto più semplice.

"Volevo vedere gli elettroni nel materiale. Volevo vedere gli elettroni muoversi, non solo per spiegare il loro movimento misurando un cambiamento di trasmissione e riflessione della luce nel materiale, " ha detto il prof. Keshav Dani, capo dell'Unità. Il fattore limitante per lo studio del movimento degli elettroni utilizzando le tecniche precedenti era che la strumentazione poteva fornire un'eccellente risoluzione temporale o spaziale, ma non entrambi. Dottor Michael Man, un borsista post-dottorato nell'Unità del Prof. Dani, combinato le tecniche degli impulsi di luce UV e della microscopia elettronica per vedere gli elettroni in movimento all'interno di una cella solare.

Se fai luce su un materiale, l'energia luminosa può essere assorbita dagli elettroni e spostarli da uno stato di bassa energia ad uno più alto. Se l'impulso di luce che risplendi sul materiale è molto, molto corto, pochi milionesimi di miliardesimo di secondo - cioè pochi femto secondi - crea un rapidissimo cambiamento nel materiale. Però, questo cambiamento non dura a lungo, poiché il materiale torna al suo stato originale su una scala temporale molto rapida. Affinché un dispositivo funzioni, come in una cella solare, dobbiamo estrarre energia dal materiale mentre è ancora allo stato di alta energia. Gli scienziati vogliono studiare come i materiali cambiano stato e perdono energia. "In realtà, non puoi guardare questi elettroni cambiare stato su una scala temporale così veloce. Così, quello che fai è misurare il cambiamento di riflettività del materiale, " ha spiegato il dottor Man. Per capire come cambia il materiale quando esposto alla luce, i ricercatori espongono il materiale a un brevissimo, ma intenso, impulso di luce che provoca il cambiamento, e poi continuare a misurare la variazione introdotta dal primo impulso sondando il materiale con successivi impulsi di luce molto più deboli a differenti tempi di ritardo dopo il primo impulso.

Come primo fascio discreto di energia senza massa, o fotone, cambia il materiale, riscaldandolo rapidamente ad esempio, il riflesso del fotone successivo cambia. Quando il materiale si raffredda, il riflesso torna a quello originale. Queste differenze raccontano agli scienziati la dinamica del fenomeno osservato. "Il problema è che in realtà non osservi direttamente la dinamica degli elettroni che provoca i cambiamenti:misuri la riflessione e poi cerchi di trovare una spiegazione basata sull'interpretazione dei tuoi dati, "Ha detto il Prof. Dani. "Si crea un modello che spiega i risultati del tuo esperimento. Ma in realtà non vedi cosa sta succedendo".

Il team del prof. Dani ha trovato un modo per visualizzare questo fenomeno in un dispositivo a semiconduttore. "Quando l'impulso colpisce il materiale, toglie degli elettroni, e usiamo un microscopio elettronico che forma un'immagine della provenienza degli elettroni spostati, " disse il dottor Man. "Se lo fai molte volte, per molti fotoni, puoi costruire lentamente un'immagine della distribuzione degli elettroni nel materiale. Quindi foto-ecciti il ​​campione, aspetti un certo tempo, e poi si sonda il campione e si ripete questo processo ancora e ancora, mantenendo sempre lo stesso il ritardo tra il primo impulso di fotoni e i fotoni di sondaggio." Come risultato finale, si ottiene un'immagine della posizione della maggior parte degli elettroni nel materiale in un determinato intervallo di tempo.

Quindi, i ricercatori modificano il ritardo temporale tra i due impulsi - quello di fotoeccitazione e quello di sondaggio - e creano un'altra immagine della posizione degli elettroni. Una volta creata un'immagine, l'impulso di sondaggio è ulteriormente ritardato, creando una serie di immagini che descrivono le posizioni degli elettroni in tempi successivi alla fotoeccitazione. "Quando unisci tutte queste immagini insieme, finalmente hai un video, " Ha detto il Prof. Dani. "Un video di come gli elettroni si muovono nel materiale dopo l'eccitazione fotografica:si vedono gli elettroni eccitarsi, e poi tornare al loro stato originale."

"Abbiamo realizzato un video di un processo molto fondamentale:per la prima volta non immaginiamo cosa sta succedendo all'interno di una cella solare, lo stiamo effettivamente vedendo. Ora possiamo descrivere ciò che vediamo in questo video time-lapse, non dobbiamo più interpretare i dati e immaginare cosa potrebbe essere successo all'interno di un materiale. Questa è una nuova porta per comprendere il movimento degli elettroni nei materiali semiconduttori", ha affermato il prof. Dani. Questa ricerca fornisce una nuova visione del movimento degli elettroni che potrebbe potenzialmente cambiare il modo in cui sono costruite le celle solari e i dispositivi a semiconduttore. Questa nuova visione porta il campo della tecnologia un passo più vicino alla costruzione di dispositivi elettronici migliori e più efficienti.