Los físicos han empleado con éxito una técnica poderosa para estudiar los electrones generados a través de la fisión singlete, un proceso que se cree que será clave para una producción de energía solar más eficiente en los próximos años.
Su enfoque, reportado en la revista Física de la naturaleza empleó láseres, radiación de microondas y campos magnéticos para analizar el giro de los excitones, que son partículas excitadas energéticamente formadas en sistemas moleculares.
Estos se generan como resultado de la fisión singlete, un proceso que los investigadores de todo el mundo están tratando de entender completamente para utilizarlo para aprovechar mejor la energía del sol. El uso de materiales que exhiben fisión singlete en las células solares podría hacer que la producción de energía sea muchomás eficiente en el futuro, pero el proceso necesita ser completamente comprendido para optimizar los materiales relevantes y diseñar tecnologías apropiadas para explotarlo.
En la mayoría de las células solares existentes, las partículas de luz o fotones son absorbidas por un material semiconductor, como el silicio. Cada fotón estimula un electrón en la estructura atómica del material, dando a un solo electrón suficiente energía para moverse.extraído como corriente eléctrica.
Sin embargo, en algunos materiales, la absorción de un solo fotón crea inicialmente una partícula excitada de mayor energía, llamada excitón singlete giratorio. Este singlete también puede compartir su energía con otra molécula, formando dos excitones de menor energía, en lugar desolo uno. Estas partículas de baja energía se denominan excitones de espín "triplete". Cada triplete puede moverse a través de la estructura molecular del material y usarse para producir carga.
El proceso de división, desde un fotón absorbido hasta dos excitones de triplete energético, es la fisión de singlete. Para los científicos que estudian cómo generar más energía solar, representa una oferta potencial: una oferta de dos por uno sobre la cantidad decorriente eléctrica generada, en relación con la cantidad de luz introducida. Si los materiales capaces de fisión singlete pueden integrarse en las células solares, será posible generar energía de manera más eficiente a partir de la luz solar.
Pero lograr esto está lejos de ser sencillo. Un desafío es que los pares de excitones triples solo duran una pequeña fracción de segundo y deben separarse y usarse antes de que decaigan. Su vida útil está conectada a su "giro" relativo.que es una propiedad única de las partículas elementales y es un momento angular intrínseco. Estudiar y medir el giro a través del tiempo, desde la formación inicial de los pares hasta su descomposición, es esencial si se van a aprovechar.
En el nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Cambridge y la Freie Universität Berlin FUB utilizaron un método que permite medir las propiedades de rotación de los materiales a lo largo del tiempo. El enfoque, llamado espectroscopía de resonancia de rotación electrónica ESR, tieneha sido utilizado y mejorado desde su descubrimiento hace más de 50 años para comprender mejor cómo el giro impacta en muchos fenómenos naturales diferentes.
Implica colocar el material que se está estudiando dentro de un electroimán grande, y luego usar luz láser para excitar moléculas dentro de la muestra y radiación de microondas para medir cómo cambia el espín con el tiempo. Esto es especialmente útil cuando se estudian los estados de triplete formados por la fisión de singleteya que son difíciles de estudiar usando la mayoría de las otras técnicas.
Debido a que el giro de los excitones interactúa con la radiación de microondas y los campos magnéticos, estas interacciones se pueden usar como una forma adicional de comprender lo que les sucede a los pares de tripletas después de que se forman. En resumen, el enfoque permitió a los investigadores observar y manipular efectivamenteEl estado de giro de los pares de tripletas a través del tiempo, después de la formación por fisión de singlete.
El estudio fue dirigido por el profesor Jan Behrends en la Freie Universität Berlin FUB, el Dr. Akshay Rao, un Asociado de Investigación Universitaria en St John's College, Universidad de Cambridge, y el Profesor Neil Greenham en el Departamento de Física de la Universidad de Cambridge.
Leah Weiss, becaria de Gates-Cambridge y estudiante de doctorado en física con sede en el Trinity College de Cambridge, fue la primera autora del artículo. "Esta investigación ha abierto muchas preguntas nuevas", dijo. "¿Qué hace que estos estados excitados se separen?y ser independientes, o permanecer juntos como pareja, son preguntas que debemos responder antes de que podamos usarlas "
Los investigadores pudieron observar los estados de giro de los excitones triples con considerable detalle. Observaron que se habían formado pares que tenían estados de giro tanto débiles como fuertemente vinculados, lo que refleja la coexistencia de pares que estaban espacialmente cerca y más lejosEl grupo descubrió que algunos pares que habrían esperado que se pudrieran muy rápidamente, debido a su proximidad, en realidad sobrevivieron durante varios microsegundos.
"Encontrar esos pares en particular fue completamente inesperado", agregó Weiss. Creemos que podrían estar protegidos por su estado general de giro, lo que dificulta su descomposición. La investigación continua se centrará en hacer dispositivos y examinar cómo estos estados puedenser aprovechado para su uso en células solares "
El profesor Behrends agregó: "Esta colaboración interdisciplinaria demuestra muy bien que reunir la experiencia de diferentes campos puede proporcionar ideas novedosas y sorprendentes. Los estudios futuros deberán abordar cómo dividir eficientemente los estados fuertemente acoplados que observamos aquí, para mejorar el rendimientode células de fisión singlete "
Más allá de tratar de mejorar las tecnologías fotovoltaicas, la investigación también tiene implicaciones para los esfuerzos más amplios para crear dispositivos electrónicos rápidos y eficientes usando espín, llamados dispositivos "espintrónicos", que también dependen de la capacidad de medir y controlar las propiedades de espín de los electrones.
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Materiales proporcionado por Universidad de Cambridge . La historia original tiene licencia bajo a Licencia Creative Commons . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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