En les cel·les solar, durant la conversió de la llum en electricitat, es perd una gran part de l'energia de la llum d'entrada. Això es deu al comportament dels electrons dins dels materials. Si la llum toca un material abans de passar l'energia al medi ambient, enèrgicament aquesta estimula als electrons durant una fracció de segon. A causa de la seva curta durada (uns pocs femtosegons), pràcticament aquests processos no han estat explorats fins ara. Un equip de l'Institut de Física Aplicada i Experimental de la Universitat de Kiel (CAU), sota la direcció del professor Michael Bauer i el professor Kai Roßnagel, ha aconseguit investigar l'intercanvi energètic dels electrons amb el seu entorn en temps real i, per tant, distingir fases individuals. En el seu experiment, van irradiar el grafit amb un pols ultra-intens de llum i van filmar l'impacte sobre el comportament dels electrons. L'entesa complerta dels processos fonamentals implicats podria ser important en el futur per a aplicacions en components optoelectrònics ultra-ràpits. L'equip de recerca ha publicat aquests resultats a una actual edició de la revista Physical Review Letters.
Les propietats d'un material depenen del comportament dels seus electrons i àtoms constituents. Un model bàsic per descriure el comportament dels electrons és el concepte de l'anomenat gas Fermi, que porta el nom del guanyador del Premi Nobel Enrico Fermi. En aquest model, els electrons del material es consideren un sistema gasós. D'aquesta manera, és possible descriure les seves interaccions entre ells. Per seguir en temps real el comportament dels electrons sobre la base d'aquesta descripció, l'equip de recerca de Kiel va desenvolupar un experiment per a investigacions amb una resolució temporal extrema:
Si una mostra de material és irradiada amb un pols ultrafast de llum, els electrons són estimulats durant un curt període. Un segon pols de llum retardat, allibera alguns d'aquests electrons del sòlid.
Una detallat anàlisi d'aquests,, permet treure conclusions sobre les propietats electròniques del material després de la primera estimulació amb la llum. Una càmera especial com és la de la llum d'energia introduïda, es distribueix a través del sistema electrònic.
La característica especial del sistema de Kiel, és la seva extremadament alta resolució temporal de 13 femtosegons. Això el converteix en una de les càmeres electròniques més ràpides del món. Gràcies a la durada molt curta dels polsos de llum utilitzats, es pot filmar en viu processos ultra-ràpids. Aquestes investigacions han demostrat que hi ha una sorprenent quantitat de coses que passen.
En el seu experiment actual, l'equip de recerca va irradiar una mostra de grafit amb un pols de llum curt i intens de només set femtosegons. El grafit es caracteritza per una senzilla estructura electrònica. Així, els processos fonamentals es podien observar de manera particularment clara. En l'experiment, les partícules de llum impactant-també anomenades fotons- van alterar l'equilibri tèrmic dels electrons. Aquest equilibri descriu una condició en què predomina una temperatura definible amb exactitud entre els electrons. L'equip de recerca de Kiel, va filmar el comportament dels electrons, fins que es va restaurar un balanç després d'uns 50 femtosegons.
Nombroses interaccions en un període extremadament curt
En fer-ho, els científics van observar nombrosos processos d'interacció d'electrons excitats amb els impactats fotons, així com amb àtoms i altres electrons en el material. Sobre la base de la pel·lícula, fins i tot, es podrien distingir diferents fases dins d'aquest període: en primer lloc, els electrons irradiats van absorbir l'energia lluminosa dels fotons en el grafit, transformant-la en energia elèctrica. A continuació, l'energia es va distribuir a altres electrons, abans que passessin als àtoms que l'envolten. En aquest últim procés, l'energia elèctrica es converteix definitivament en calor i el grafit s'escalfa.
Els experiments de l'equip de recerca de Kiel també confirmen prediccions teòriques per primera vegada. Permeten una nova perspectiva sobre un tema de recerca que pràcticament no s'ha investigat a curt termini. A través de les noves possibilitats tècniques, aquests processos fonamentals i complexos es poden observar directament per primera vegada. Llavors, aquest enfocament també es podria aplicar en el futur per investigar i optimitzar moviments ultraràpids d'electrons en materials amb propietats prometedores òptiques.
Font: Universitat de Kiel
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada