Gli scienziati del Los Alamos National Laboratory hanno sintetizzato punti quantici drogati magneticamente che catturano l'energia cinetica degli elettroni creati dalla luce ultravioletta prima che venga sprecata come calore.

"Questa scoperta può potenzialmente consentire nuovi, celle solari ad alta efficienza, rilevatori di luce, fotocatodi e reazioni chimiche guidate dalla luce, " ha detto Victor Klimov, ricercatore capo del progetto quantum dot del Laboratorio.

Nelle celle solari standard, una grande quantità di energia solare viene sprecata sotto forma di calore. Questo spreco si verifica a causa della mancanza di approcci efficaci per catturare l'energia cinetica degli elettroni "caldi" generati dai fotoni nella porzione dal verde all'ultravioletto dello spettro della luce solare. Il problema è che gli elettroni caldi perdono la loro energia molto rapidamente a causa delle interazioni con il reticolo cristallino di cui sono fatti i dispositivi, portando a vibrazioni note come fononi. Questo processo si verifica in genere in pochi picosecondi (trilionesimi di secondo).

I precedenti sforzi per catturare l'energia del vettore caldo hanno sfruttato il trasferimento di energia cinetica dall'elettrone caldo energetico a un immobile, elettrone a bassa energia che lo eccita in uno stato di conduzione di corrente. Questo effetto, nota come moltiplicazione dei portatori, raddoppia il numero di elettroni che contribuiscono alla fotocorrente che può essere utilizzata per aumentare le prestazioni delle celle solari. Nella maggior parte dei materiali convenzionali, però, le perdite di energia ai fononi superano i guadagni di energia della moltiplicazione delle portanti.

Nel loro studio pubblicato oggi in Nanotecnologia della natura , i ricercatori dimostrano che l'incorporazione di ioni magnetici in punti quantici può migliorare notevolmente l'utilità, interazioni che producono energia in modo che diventino più veloci dello spreco di dispersione fononica.

Per realizzare queste idee, i ricercatori hanno preparato punti quantici drogati con manganese a base di seleniuro di cadmio. "Il fotone assorbito dal punto quantico di seleniuro di cadmio crea una coppia elettrone-lacuna, o un eccitone, " disse Klimov. "Questo eccitone viene rapidamente intrappolato dal drogante creando uno stato eccitato che immagazzina energia in modo molto simile a una molla compressa. Quando il secondo fotone viene assorbito dal punto quantico, l'energia immagazzinata viene rilasciata e trasferita all'eccitone appena creato promuovendolo ad uno stato di energia superiore. Il rilascio di energia da parte dello ione manganese è accompagnato dal ribaltamento del suo momento magnetico, noto come rotazione. Quindi questo processo è chiamato trasferimento di energia Auger a scambio di spin".

Un'osservazione intrigante degli scienziati della LANL è stata la scala temporale estremamente breve delle interazioni Auger di scambio di spin, circa un decimo di picosecondo. Con loro sorpresa, queste interazioni erano più veloci delle emissioni di fononi, che erano generalmente ritenuti il ​​processo più veloce nei materiali semiconduttori. Per dimostrare che il nuovo effetto potrebbe battere il raffreddamento assistito da fononi, I ricercatori di Los Alamos hanno dimostrato che punti quantici drogati magneticamente progettati correttamente hanno permesso loro di estrarre un elettrone caldo creato da un fotone ultravioletto prima che perdesse la sua energia per riscaldare il reticolo cristallino.

Queste scoperte rivoluzionarie aprono opportunità entusiasmanti per sfruttare i processi Auger di scambio di spin in schemi avanzati per aumentare le prestazioni delle celle solari o guidare reazioni fotochimiche insolite. Si prevedono interessanti opportunità anche in aree ad alta sensibilità, rilevamento della luce ad alta velocità e nuovi tipi di sorgenti di elettroni guidate dalla luce.