Počas premeny svetla na elektrickú energiu, napríklad v solárnych článkoch, sa stráca veľká časť vstupnej svetelnej energie. Je to spôsobené správaním sa elektrónov vo vnútri materiálov.
Ak svetlo dopadne na materiál, stimuluje elektróny energeticky na zlomok sekundy, skôr, ako vrátia energiu späť do okolitého prostredia. Vzhľadom na extrémne krátke trvanie tejto udalosti v rozsahu niekoľkých femtosekúnd - femtosekunda je jedna kvadrillóntina sekundy - tieto procesy sa doteraz len ťažko skúmali. Tímu z Ústavu experimentálnej a aplikovanej fyziky na Kielskej univerzite (CAU) pod vedením profesora Michaela Bauera a profesora Kai Roßnagla sa podarilo preskúmať energetickú výmenu elektrónov s ich prostredím v reálnom čase a tým rozlišovať jednotlivé fázy procesu. Vo svojom experimente ožarovali grafit intenzívnym, ultra-krátkym svetelným impulzom a natočili jeho vplyv na správanie sa elektrónov. Komplexné pochopenie fundamentálných procesov by mohlo byť v budúcnosti dôležité pre aplikácie v ultra rýchlych optoelektronických súčiastkach. Výskumný tím uverejnil tieto výsledky v aktuálnom vydaní časopisu Physical Review Letters.
Vlastnosti materiálu závisia od správania sa jeho elektrónov a atómov. Základným modelom popisujúcim správanie elektrónov je koncept tzv. Fermiho plynu, pomenovaný po nositeľovi Nobelovej ceny Enricovi Fermim. V tomto modeli sa elektróny v materiáli považujú za plynný systém. Týmto spôsobom je možné opísať ich vzájomné pôsobenie. S cieľom sledovať správanie elektrónov na základe tohto opisu v reálnom čase vyvinul výskumný tím v Kielu experiment s extrémnym časovým rozlíšením: ak sa materiálová vzorka ožaruje ultrarýchlym pulzom svetla, sú elektróny stimulované krátke obdobie. Druhý, oneskorený svetelný impulz uvoľňuje niektoré z týchto elektrónov z tuhej látky. Podrobná analýza umožňuje vyvodiť závery týkajúce sa elektronických vlastností materiálu po prvej stimulácii svetlom. Špeciálna kamera filmuje, ako sa zavedená svetelná energia distribuuje prostredníctvom elektrónového systému.
S ultrarýchlym systémom v Physics Centre na CAU, môže byť správanie elektrónov filmované v reálnom čase.
Vyvinutý v Kieli: jeden z najrýchlejších systémov na svete
Zvláštnosťou Kielského systému je jeho extrémne vysoké časové rozlíšenie 13 femtosekúnd. To z neho robí jednu z najrýchlejších elektrónových kamier na svete. "Vďaka extrémne krátkemu trvaniu použitých svetelných impulzov sme schopní natáčať ultrarýchle procesy naživo. Náš výskum ukázal, že sa tu deje prekvapujúce množstvo udalostí," vysvetľuje Michael Bauer, profesor ultra rýchlej dynamiky na CAU. Tento systém vyvinul spoločne s pracovnou skupinou profesora Kaia Roßnagela, skúmajúceho tuhé látky synchrotronovým žiarením.
V súčasnom experimente výskumný tím ožaroval vzorku grafitu krátkym, intenzívnym svetelným pulzom trvajúcim iba sedem femtosekúnd. Grafit je charakterizovaný jednoduchou štruktúrou. Preto možno pozorovať fundamentálné procesy veľmi podrobne. V tomto experimente dopadli na grafén častice svetla - fotóny - a narušili tepelnú rovnováhu elektrónov. Táto rovnováha popisuje stav, v ktorom medzi elektrónmi prevažuje presne definovaná teplota. Výskumný tím v Kieli potom natočil správanie sa elektrónov, kým sa obnoví rovnováha po približne 50 femtosekundách.
Početné interakcie v mimoriadne krátkom čase
Vedci takto pozorovali početné interakčné procesy excitovaných elektrónov s dopadajúcimi fotónmi, ako aj s atómami a ďalšími elektrónmi v materiáli. Na základe nasnímaného filmu mohli dokonca rozlíšiť rôzne fázy v tomto ultra krátkom období: najskôr ožarované elektróny absorbovali svetelnú energiu fotónov v grafite a transformovali ju do elektrickej energie. Potom bola energia distribuovaná na iné elektróny, predtým, ako prešla na okolité atómy. V tomto poslednom procese sa elektrická energia natrvalo mení na teplo; grafit sa zahreje.
Experimenty výskumného tímu v Kieli tiež po prvýkrát potvrdzujú teoretické predpovede. Umožňujú novú perspektívu na výskumnú tému, ktorá sa v týchto krátkych časových mierkach ťažko skúmala. "Prostredníctvom našich nových technických možností možno tieto základné, komplexné procesy po prvý raz pozorovať priamo ," povedal Bauer. Tento prístup by sa mohol použiť aj v budúcnosti na skúmanie a optimalizáciu ultrarýchlych pohybov elektrónov iniciovaných svetlom v materiáloch s perspektívnymi optickými vlastnosťami.
Štúdia bola financovaná Nemeckou výskumnou nadáciou (DFG). Vyzdvihli ju vydavatelia časopisu Physics, najvýznamnejšieho časopisu American Physical Society (https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett. 121,256401).
Pôvodná publikácia: Ultrafast Formation of a Fermi-Dirac Distributed Electron Gas, G. Rohde, A. Stange, A. Müller, M. Behrendt, L.-P. Oloff, K. Hanff, T. J. Albert, P. Hein, K. Rossnagel, and M. Bauer, Phys. Rev. Lett. 121, 256401 (2018), Published December 19, 2018. DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.256401 doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.256401
Zdroj: www.uni-kiel.de
Pjetro de