Desde el descubrimiento de JJ Thompson en 1897 del electrón, los científicos han intentado describir el movimiento de la partícula subatómica utilizando una variedad de medios diferentes. Los electrones son demasiado pequeños y rápidos para ser vistos, incluso con la ayuda de un microscopio óptico.hizo que medir el movimiento de un electrón fuera muy difícil durante el siglo pasado. Sin embargo, una nueva investigación de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST, publicada en Nanotecnología de la naturaleza , ha hecho este proceso mucho más fácil.
"Quería ver los electrones en el material. Quería ver los electrones moverse, no solo para explicar su movimiento midiendo un cambio de transmisión de luz y reflejo en el material", dijo el profesor Keshav Dani, líder de la Unidad.El factor limitante para estudiar el movimiento de electrones usando técnicas anteriores fue que la instrumentación podía proporcionar una excelente resolución de tiempo o resolución espacial, pero no ambas. El Dr. Michael Man, becario postdoctoral en la Unidad del Prof. Dani, combinó las técnicas de pulsos de luz UV ymicroscopía electrónica para ver los electrones moviéndose dentro de una célula solar.
Si ilumina la luz de un material, la energía de la luz puede ser absorbida por los electrones y moverlos de un estado de baja energía a uno más alto. Si el pulso de luz que brilla en el material es muy, muy corto, ununas pocas millonésimas de billonésima de segundo, es decir, unos pocos femto segundos, crea un cambio muy rápido en el material, sin embargo, este cambio no dura mucho, ya que el material vuelve a su estado original muy rápidoescala de tiempo. Para que un dispositivo funcione, como en una célula solar, tenemos que extraer energía del material mientras todavía está en el estado de alta energía. Los científicos quieren estudiar cómo los materiales cambian de estado y pierden energía ". En realidad, ustedno puede ver cómo estos electrones cambian de estado en una escala de tiempo tan rápida. Entonces, lo que usted hace es medir el cambio de reflectividad del material ", explicó el Dr. Man. Para comprender cómo cambia el material cuando se expone a la luz, los investigadores exponen el material aun pulso de luz muy corto pero intenso que causa el cambio, und luego continuar midiendo el cambio introducido por el primer pulso sondeando el material con pulsos de luz posteriores mucho más débiles en diferentes tiempos de retraso después del primer pulso.
A medida que el primer paquete discreto de energía sin masa, o fotón, cambia el material, calentándolo rápidamente, por ejemplo, cambia el reflejo del fotón posterior. A medida que el material se enfría, el reflejo vuelve al original. Estas diferenciasdígales a los científicos la dinámica del fenómeno observado. "El problema es que en realidad no observa directamente la dinámica de los electrones que causa los cambios: mide la reflexión y luego trata de encontrar una explicación basada en la interpretación de sus datos".El profesor Dani dijo: "Creas un modelo que explica los resultados de tu experimento. Pero en realidad no ves lo que está sucediendo".
El equipo del profesor Dani encontró una manera de visualizar este fenómeno en un dispositivo semiconductor. "Cuando el pulso golpea el material, saca algunos electrones y usamos un microscopio electrónico que forma una imagen de dónde provienen los electrones desplazados".El Dr. Man dijo: "Si haces esto muchas veces, para muchos fotones, puedes construir lentamente una imagen de la distribución de los electrones en el material. Así que fotoexcitas la muestra, esperas un cierto tiempo yluego sondea su muestra y repite este proceso una y otra vez, manteniendo el retraso entre el primer pulso de fotones y los fotones de sondeo siempre el mismo ". Como resultado final, obtiene una imagen de la ubicación de la mayoría de los electrones enel material en un retraso de tiempo específico.
Luego, los investigadores cambian el retraso de tiempo entre los dos pulsos, el foto-emocionante y el de sondeo, y crean otra imagen de la ubicación de los electrones. Una vez que se crea una imagen, el pulso de sondeo es másretrasado, creando una serie de imágenes que describen las posiciones de los electrones en tiempos posteriores después de la fotoexcitación. "Cuando unes todas estas imágenes, finalmente tienes un video", dijo el profesor Dani. "Un video de cómo los electronesse mueven en el material después de la excitación de la foto: ves que los electrones se excitan y luego vuelven a su estado original "
"Hemos hecho un video de un proceso muy fundamental: por primera vez no estamos imaginando lo que está sucediendo dentro de una célula solar, en realidad lo estamos viendo. Ahora podemos describir lo que vemos en este video de lapso de tiempo,ya no tenemos que interpretar los datos e imaginar lo que podría haber sucedido dentro de un material. Esta es una nueva puerta para comprender el movimiento de los electrones en los materiales semiconductores ". El profesor Dani se desvaneció. Esta investigación proporciona una nueva visión del movimiento de los electrones que podríapotencialmente cambiar la forma en que se construyen las células solares y los dispositivos semiconductores. Esta nueva información acerca el campo de la tecnología un paso más cerca de construir dispositivos electrónicos mejores y más eficientes.
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Materiales proporcionado por Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa - OIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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