Durante la conversión de luz en electricidad, como en las células solares, se pierde una gran parte de la energía lumínica de entrada. Esto se debe al comportamiento de los electrones dentro de los materiales. Si la luz golpea un material, estimula los electrones energéticamente duranteuna fracción de segundo, antes de que devuelvan la energía al medio ambiente. Debido a su duración extremadamente corta de unos pocos femtosegundos un femtosegundo es una cuadrillonésima parte de un segundo, estos procesos apenas se han explorado hasta la fecha. Un equipo deel Instituto de Física Experimental y Aplicada de la Universidad de Kiel CAU, bajo la dirección del profesor Michael Bauer y el profesor Kai Roßnagel, ha logrado investigar el intercambio de energía de los electrones con su entorno en tiempo real, distinguiendo así las fases individuales.En su experimento, irradiaron grafito con un pulso de luz intenso y ultracorto y filmaron el impacto en el comportamiento de los electrones. Una comprensión integral de los fundamentosLos procesos mentales involucrados podrían ser importantes en el futuro para aplicaciones en componentes optoelectrónicos ultrarrápidos.El equipo de investigación ha publicado estos hallazgos en la edición actual de la revista Physical Review Letters.
Las propiedades de un material dependen del comportamiento de los electrones y átomos que lo constituyen. Un modelo básico para describir el comportamiento de los electrones es el concepto del llamado gas Fermi, que lleva el nombre del premio Nobel Enrico Fermi. En este modelo, los electrones del material se consideran un sistema gaseoso. De esta manera, es posible describir sus interacciones entre sí. Para seguir el comportamiento de los electrones sobre la base de esta descripción en tiempo real, la investigación de KielEl equipo desarrolló un experimento para investigaciones con resolución temporal extrema: si una muestra de material se irradia con un pulso de luz ultrarrápido, los electrones se estimulan durante un período corto. Un segundo pulso de luz retardado libera algunos de estos electrones del sólido.El análisis de estos permite sacar conclusiones sobre las propiedades electrónicas del material después de la primera estimulación con luz. Una cámara especial filma cómo se introduce la energía luminosadistribuido a través del sistema de electrones.
Desarrollado en Kiel: uno de los sistemas más rápidos del mundo
La característica especial del sistema Kiel es su resolución temporal extremadamente alta de 13 femtosegundos. Esto la convierte en una de las cámaras de electrones más rápidas del mundo. "Gracias a la duración extremadamente corta de los pulsos de luz utilizados, podemos filmarprocesos ultrarrápidos en vivo. Nuestras investigaciones han demostrado que hay una sorprendente cantidad de cosas sucediendo aquí ", explicó Michael Bauer, profesor de dinámica ultrarrápida en la CAU. Desarrolló el sistema, junto con el grupo de trabajo de Kai Roßnagel, profesor de estado sólidoinvestigación con radiación de sincrotrón.
En su experimento actual, el equipo de investigación irradió una muestra de grafito con un pulso de luz corto e intenso de solo siete femtosegundos de duración. El grafito se caracteriza por una estructura electrónica simple. Por lo tanto, los procesos fundamentales se pueden observar con particular claridad. En el experimento,las partículas de luz impactantes, también llamadas fotones, perturbaron el equilibrio térmico de los electrones. Este equilibrio describe una condición en la que prevalece una temperatura definible con precisión entre los electrones. El equipo de investigación de Kiel luego filmó el comportamiento de los electrones, hasta queel equilibrio se recuperó después de aproximadamente 50 femtosegundos.
Numerosas interacciones en un período extremadamente corto
Al hacerlo, los científicos observaron numerosos procesos de interacción de electrones excitados con los fotones impactantes, así como átomos y otros electrones en el material. Sobre la base del metraje de la película, pudieron incluso distinguir diferentes fases dentro de este período ultracorto:En primer lugar, los electrones irradiados absorbieron la energía luminosa de los fotones en el grafito y, por lo tanto, la transformaron en energía eléctrica. Luego, la energía se distribuyó a otros electrones, antes de pasarla a los átomos circundantes. En este último proceso,la energía eléctrica se convierte en última instancia permanentemente en calor; el grafito se calienta.
Los experimentos del equipo de investigación de Kiel también confirman predicciones teóricas por primera vez. Permiten una nueva perspectiva sobre un tema de investigación que apenas ha sido investigado en esta breve escala de tiempo. "A través de nuestras nuevas posibilidades técnicas, estos procesos fundamentales y complejosse puede observar directamente por primera vez ", dijo Bauer. Este enfoque también podría aplicarse en el futuro para investigar y optimizar los movimientos ultrarrápidos de los electrones agitados por la luz en materiales con propiedades ópticas prometedoras.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Kiel . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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