×
Ученые проектируют и создают новые энергетические частицы

В почти мистическом микроскопическом мире, где электромагнитные поля света и вещества тесно смешиваются, когда обмениваются энергией, плазмоны, экситоны и другие частицы с неожиданными и обычными свойствами имеются в большом количестве. Но теперь физики создали новый набор энергетических частиц, несущих добавку к этому диапазону. Названные «топологические экситоны» эти новые частицы создают посыл, который значительно усиливает потоки энергии для солнечных батарей и наноразмерных фотонных схем.

 

Ученые Калифорнийского университета в Сан-Диего, Массачусетского технологического университета и Гарвардского университета спроектировали эти частицы, чтобы улучшить процесс, известный как экситонная передача энергии (EET или exciton energy transfer).

 

Созданные как соединение плазмонов (количество коллективных колебаний электронов) и экситонов (возбужденных электронов, связанные с отверстием создаваемого ими возбуждения), топологические плекситоны помогают лучше передавать прямые потоки энергии в EET.

 

Ученые спроектировали строительство новых энергетических частиц

 

«Когда свет и материя взаимодействуют между собой, они обмениваются энергией, – сказал Джоэл Юн-Чжоу (Joel Yuen-Zhou), доцент кафедры химии и биохимии Калифорнийского университета в Сан-Диего. – Энергия может течь назад и вперед между светом в металле (так называемые плазмоны) и светом в молекуле (так называемый экситон). Когда этот обмен происходит намного быстрее, чем их соответствующие скорости распада, их индивидуальные идентичности теряются. Более точно думать о них как о гибридных частицах. Экситоны и плазмоны соединяются с образованием новых частиц».

 

EET ранее было возможно создать только на незначительных расстояниях, порядка 10 нанометров (100 миллионных метра), и они быстро исчезали, как энергетические поля приобщенных экситонов. Они растрачивали друг друга в пути, встречаясь с другими частицами и молекулами.

 

Один из методов физики, используемых для решения этой проблемы, состоит в том, чтобы объединить экситоны в молекулярном кристалле с коллективными возбуждениями в металлах для создания топологических экситонов. Это исправило проблемы быстрого рассеивания и увеличило расстояние для EET до примерно 20 000 нанометров (около толщины человеческого волоса). Хотя это может показаться малым расстоянием, это на самом деле огромное улучшение в таких крохотных масштабах.

 

К сожалению, в то время как топологические экситоны помогли увеличить расстояние передачи энергии, направление, в котором они делали это, было неконтролируемым, что, как правило, сводило все усилия ученых к нулю, не давая реальной выгоды.

 

В поисках решения этой проблемы исследователи обнаружили, что создание новых топологических экситонов создает вокруг себя новые свойства материалов, известных как «топологические изоляторы». Они действуют в качестве изоляторов внутри контуров, но имеют поверхности, которые проводят электроны так, что те способны перемещаться вдоль поверхности материала.

 

«Топологические изоляторы представляют собой материалы, которые идеально подходят для электрических изоляторов в том объеме, в котором нужно. А по краям они ведут себя как идеальные одномерные металлические кабели, – сказал Юн-Чжоу. – Захватывающей особенностью топологических изоляторов является то, что даже тогда, когда материал является несовершенным и имеет примеси, есть большой порог работы, при котором электроны, начинающие путешествовать вдоль одного направления, не могут отправиться в другое, что делает перенос электронов устойчивым. Другими словами, можно подумать о том, что электроны будут слепыми к примесям».

 

Созданная направленность топологических экситонов путем добавления топологического компонента в смеси означает, что в один прекрасный день новые «plexcitonic-переключатели» могут быть созданы, чтобы избирательно распределять энергию через микроскопические компоненты новых типов солнечных батарей или других устройств, которые собирают свет, что значительно улучшит энергетические потоки и эффективность солнечных панелей.

 

Результаты этого исследования были недавно опубликованы в журнале Nature Communications.

 

Автор: Степан Мазур

 

Оригинал фото: gizmag