Διεθνής ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής ειδικούς από το Εθνικό Ερευνητικό Πυρηνικό Πανεπιστήμιο MEPhI (NRNU MEPhI) ήταν η πρώτη που κατέδειξε το πρόσφατα προβλεπόμενο κβαντικό ηλεκτροδυναμικό φαινόμενο.
Σύμφωνα με τους συγγραφείς, τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να βελτιώσουν την απόδοση των ηλιακών κυψελών, των οργανικών LED και άλλων φωτοβολταϊκών συσκευών κατά αρκετές φορές.
Ο εξιτόνας είναι ένα οιονεί σωματίδιο, ένα βοηθητικό αντικείμενο της κβαντικής θεωρίας, που περιγράφει τη συμπεριφορά μιας δεσμευμένης κατάστασης ενός ζεύγους φορέων αντίθετων φορτίων - ενός ηλεκτρονίου και μιας οπής. Η έννοια του εξιτονίου, όπως εξηγείται από τους επιστήμονες του MEPhI, μας επιτρέπει να περιγράψουμε με μεγάλη ακρίβεια, για παράδειγμα, τις ηλεκτρικές ιδιότητες των οργανικών ημιαγωγών κατά την αλληλεπίδραση με το φως.
Το κβαντικό "φαινόμενο του καρναβαλιού
Η γέννηση ή η εκμηδένιση ενός εξιτονίου - δηλαδή η αντηχητική ανταλλαγή ενέργειας σε έναν οργανικό ημιαγωγό - συνοδεύεται από την απορρόφηση ή την εκπομπή ενός φωτονίου (κβάντου ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας) αντίστοιχα, λένε οι επιστήμονες. Μια νέα εργασία της ερευνητικής ομάδας καταδεικνύει τη δυνατότητα ελέγχου των ιδιοτήτων των μεταβάσεων των εξιτονίων με τη χρήση του φαινομένου της "ισχυρής σύζευξης"".
Το φαινόμενο της "ισχυρής σύζευξης" περιλαμβάνει το σχηματισμό μιας υβριδικής κατάστασης ενέργειας μεταξύ της διέγερσης στην ύλη, η οποία περιγράφεται με την έννοια του εξιτονίου, και της εντοπισμένης ηλεκτρομαγνητικής διέγερσης. Για τη δημιουργία τέτοιων συνθηκών χρησιμοποιούνται ειδικοί συντονιστές, οι οποίοι βασίζονται σε ένα ζεύγος κατόπτρων τοποθετημένων το ένα απέναντι από το άλλο σε απόσταση περίπου όσο το μήκος κύματος του φωτός", δήλωσε ο καθηγητής Igor Nabiev, επικεφαλής επιστήμονας του Εργαστηρίου Νανο-Βιομηχανικής του Εθνικού Ερευνητικού Πυρηνικού Πανεπιστημίου MEPhI της Ρωσίας και καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Reims Champagne-Ardenne της Γαλλίας.
Μεταφορά ενέργειας με μηδενικές απώλειες
Ένα από τα πρακτικά ενδιαφέροντα φαινόμενα στους οργανικούς ημιαγωγούς, για την περιγραφή των οποίων χρησιμοποιείται ο όρος exciton, είναι η μεταφορά ενέργειας συντονισμού Förster (FRET), που χρησιμοποιείται σε ιατρικές εφαρμογές. Πρόκειται για μεταφορά ενέργειας χωρίς απώλειες μεταξύ δύο διεγερτικών καταστάσεων σε διαφορετικά μόρια σε μικρές αποστάσεις μεταξύ τους.
Υπό κανονικές συνθήκες, η μεταφορά πραγματοποιείται προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, από το μόριο-δότη προς το μόριο-δέκτη. Για να αξιοποιηθούν ευρύτερα οι δυνατότητες αυτού του φαινομένου στα φωτοβολταϊκά, ήταν απαραίτητο να συλληφθεί και να μελετηθεί πειραματικά το λεγόμενο "καρναβαλικό φαινόμενο", μια ελεγχόμενη αντιστροφή των κατευθύνσεων μεταφοράς ενέργειας στην FRET μεταξύ εξιτονίων διαφορετικών μορίων.
Είχε προβλεφθεί θεωρητικά πριν από περίπου τρία χρόνια από φυσικούς στις ΗΠΑ. Όμως οι επιστήμονες του Εργαστηρίου Νανο-Βιομηχανικής του Εθνικού Ερευνητικού Πυρηνικού Πανεπιστημίου MEPhI ήταν οι πρώτοι στον κόσμο που κατάφεραν να το επιδείξουν.
Πολλαπλάσια κέρδη απόδοσης
Σύμφωνα με τους συγγραφείς, το άμεσο πρακτικό αποτέλεσμα της εργασίας είναι η δυνατότητα δραματικής αύξησης της απόδοσης των φωτοβολταϊκών διατάξεων που μετατρέπουν την ενέργεια του φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό είναι εφικτό με τη συγκομιδή ενέργειας από εκείνες τις εξιτονικές καταστάσεις που παραδοσιακά έχουν αποδειχθεί κανάλια απώλειας ενέργειας, ανέφεραν οι επιστήμονες.
"Η πρόσφατα ανακαλυφθείσα δυνατότητα συγκομιδής ενέργειας από καταστάσεις μακράς διάρκειας ζωής μέσω του σχηματισμού υβριδικών καταστάσεων εξιτονίων-φωτονίων θα πολλαπλασιάσει την απόδοση των ηλεκτροφωτεινών και φωτοβολταϊκών συσκευών", εξήγησε ο Dmitry Dovzhenko, ερευνητής στο Εργαστήριο Νανο-Βιομηχανικής του Εθνικού Ερευνητικού Πυρηνικού Πανεπιστημίου MEPhI της Ρωσίας και ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Σαουθάμπτον του Ηνωμένου Βασιλείου.
Οι συγγραφείς της μελέτης χρησιμοποίησαν έναν προηγουμένως αναπτυγμένο μικροσυντονιστή για να δημιουργήσουν ισχυρή σύζευξη μεταξύ των εξιτονίων σε ένα ζεύγος οργανικών φθοριοφόρων και του φωτός που εντοπίζεται στον συντονιστή. Σύμφωνα με τους επιστήμονες του MEPhI, μια σειρά από παραμέτρους μεταφοράς ενέργειας μεταξύ δότη και δέκτη μπορούν να ελεγχθούν τεχνητά σε αυτό το σύστημα, μέχρι και την αλλαγή της κατεύθυνσης της μεταφοράς.
Έλεγχος με φως
Το σύστημα που δημιουργήθηκε στο NRNU MEPhI μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον ακριβή τηλεχειρισμό χημικών αντιδράσεων, καθώς και στην ανάπτυξη οπτικά ελεγχόμενων τεχνολογιών απεικόνισης στην ιατρική διάγνωση και σε άλλους τομείς, εξήγησαν οι επιστήμονες.
"Πέρα από την αύξηση της αποτελεσματικότητας της FRET, η οποία χρησιμοποιείται ευρέως στη βιοϊατρική διάγνωση, το καρναβαλικό φαινόμενο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο άλλων φυσικών και χημικών διεργασιών - για παράδειγμα, για τον πολλαπλασιασμό της αποτελεσματικότητας της ελεγχόμενης από εξωτερικό αντηχείο μεταφοράς ενέργειας ή της διάσπασης μονήρους εξιτονίου", δήλωσε ο Igor Nabiev.