2015
Фізики з Австрії та Німеччини вперше експериментально відтворили просторову форму й розвиток у часі квантового стану, який виникає в перші миті після поглинання світла органічним напівпровідником. Серія надшвидких вимірювань дозволила скласти своєрідне «відео» народження екситона — зв’язаної пари електрона та електронної дірки, що є одним із ключових етапів на шляху від фотона до електричного струму.
Коли світло потрапляє на матеріал, фотони можуть передавати енергію електронам. Після збудження електрона в матеріалі залишається так звана дірка, а електрон і дірка певний час можуть бути зв’язаними. Такий стан називають екситоном. Він має важливе значення для органічних сонячних елементів та інших оптоелектронних матеріалів.
Екситони вивчають десятиліттями, однак їхня внутрішня квантово-механічна структура в перші миті існування залишалася майже недоступною для прямого спостереження. Команда Університету Граца разом із дослідниками Марбурзького університету та дослідницького центру Юліха використала метод часово-роздільної фотоемісійної орбітальної томографії.
Спочатку дуже короткий лазерний імпульс створював екситон у зразку органічного напівпровідника. Потім другий, високоенергетичний ультрафіолетовий імпульс вибивав електрон із зв’язаного стану. Вимірюючи його енергію та напрям руху, фізики за допомогою теоретичних моделей відновлювали квантовий стан пари.
Змінюючи затримку між двома лазерними імпульсами, команда отримувала окремі кадри процесу. За словами дослідників, відразу після утворення електронно-діркова пара була розподілена приблизно на три молекули. Протягом перших 400 фемтосекунд її розмір зменшився приблизно на 25%.
Фемтосекунда становить одну квадрильйонну секунди, тому звичайними методами простежити таку еволюцію неможливо. Саме послідовність надшвидких вимірювань дала змогу побачити, як хвильова функція екситона змінюється майже одразу після його появи.
Робота стала одним із важливих результатів європейського проєкту Orbital Cinema, який спрямований на візуалізацію руху електронів у матеріалах з високою просторовою й часовою роздільною здатністю. Наступним кроком команда хоче спостерігати вже розділення електрона і дірки в донорно-акцепторних системах.
Саме ефективність такого розділення визначає, наскільки добре органічний матеріал може перетворювати поглинуте світло на електричний струм. Тому дослідники розглядають новий метод не лише як спосіб бачити квантові процеси, а й як інструмент для кращого розуміння роботи органічної фотовольтаїки.
