La espectroscopia y la teoría arrojan luz sobre los excitones en los semiconductores
Un equipo de investigadores logra por primera vez imágenes extremadamente rápidas y precisas
Desde los paneles solares de nuestros tejados hasta las nuevas pantallas de televisión OLED, muchos dispositivos electrónicos cotidianos simplemente no funcionarían sin la interacción entre la luz y los materiales que componen los semiconductores. Una nueva categoría de semiconductores se basa en moléculas orgánicas, compuestas en gran parte de carbono, como el buckminsterfullereno. El funcionamiento de los semiconductores orgánicos viene determinado en gran medida por su comportamiento en los primeros instantes después de que la luz excite los electrones, formando "excitones" en el material. Investigadores de las Universidades de Gotinga, Graz, Kaiserslautern-Landau y Grenoble-Alpes han conseguido por primera vez imágenes muy rápidas y precisas de estos excitones, con una exactitud de una cuatrillonésima de segundo (0,000,000,000,000,001s) y una milmillonésima de metro (0,000,000,001m). Esta comprensión es esencial para desarrollar materiales más eficientes con semiconductores orgánicos. Los resultados se publicaron en Nature Communications.
Cuando la luz incide sobre un material, algunos electrones absorben la energía y pasan a un estado de excitación. En los semiconductores orgánicos, como los utilizados en los OLED, la interacción entre esos electrones excitados y los "huecos" sobrantes es muy fuerte, y los electrones y los huecos ya no pueden describirse como partículas individuales. En su lugar, los electrones cargados negativamente y los huecos cargados positivamente se combinan para formar pares, conocidos como excitones. Entender las propiedades mecánicas cuánticas de estos excitones en semiconductores orgánicos se considera desde hace tiempo un gran reto, tanto desde el punto de vista teórico como experimental.
El nuevo método arroja luz sobre este enigma. Wiebke Bennecke, física de la Universidad de Gotinga y primera autora del estudio, explica: "Utilizando nuestro microscopio electrónico de fotoemisión, podemos reconocer que las fuerzas de atracción dentro de los excitones cambian significativamente su distribución de energía y velocidad. Medimos los cambios con una resolución extremadamente alta tanto en el tiempo como en el espacio, y los comparamos con las predicciones teóricas de la mecánica cuántica". Los investigadores denominan a esta nueva técnica tomografía de excitones por fotoemisión. La teoría que la sustenta fue desarrollada por un equipo dirigido por el profesor Peter Puschnig, de la Universidad de Graz.
Esta nueva técnica permite a los científicos, por primera vez, medir y visualizar la función de onda mecánica cuántica de los excitones. En pocas palabras, la función de onda describe el estado de un excitón y determina su probabilidad de presencia. El Dr. Matthijs Jansen, de la Universidad de Gotinga, explica la importancia de los resultados: "El semiconductor orgánico que estudiamos era el buckminsterfullereno, que consiste en una disposición esférica de 60 átomos de carbono. La cuestión era si un excitón estaría siempre localizado en una sola molécula o si podría distribuirse por varias moléculas simultáneamente. Esta propiedad puede tener una gran influencia en la eficiencia de los semiconductores de las células solares". La tomografía de excitones por fotoemisión ofrece la respuesta: inmediatamente después de que la luz genere el excitón, éste se distribuye por dos o más moléculas. Sin embargo, en unos pocos femtosegundos, es decir, en una diminuta fracción de segundo, el excitón vuelve a reducirse a una sola molécula.
En el futuro, los investigadores quieren registrar el comportamiento de los excitones utilizando el nuevo método. Según el profesor Stefan Mathias, de la Universidad de Gotinga, esto tiene potencial: "Por ejemplo, queremos ver cómo influye el movimiento relativo de las moléculas en la dinámica de los excitones de un material. Estas investigaciones nos ayudarán a comprender los procesos de conversión de energía en los semiconductores orgánicos. Y esperamos que este conocimiento contribuya al desarrollo de materiales más eficientes para células solares".
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Publicación original
Wiebke Bennecke, Andreas Windischbacher, David Schmitt, Jan Philipp Bange, Ralf Hemm, Christian S. Kern, Gabriele D’Avino, Xavier Blase, Daniel Steil, Sabine Steil, Martin Aeschlimann, Benjamin Stadtmüller, Marcel Reutzel, Peter Puschnig, G. S. Matthijs Jansen, Stefan Mathias; "Disentangling the multiorbital contributions of excitons by photoemission exciton tomography"; Nature Communications, Volume 15, 2024-2-28
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