Un equipo internacional de científicos ha observado cómo se produce un misterioso fenómeno cuántico en moléculas orgánicas en tiempo real, lo que podría ayudar en el desarrollo de células solares altamente eficientes.
Los investigadores, liderados por la Universidad de Cambridge, utilizaron pulsos láser ultrarrápidos para observar cómo una sola partícula de luz, o fotón, se puede convertir en dos partículas excitadas energéticamente, conocidas como excitones de triplete de espín, a través de un proceso llamado fisión singleteSi el proceso de fisión singlete puede controlarse, podría permitir que las células solares dupliquen la cantidad de corriente eléctrica que se puede extraer.
En los semiconductores convencionales, como el silicio, cuando se absorbe un fotón, conduce a la formación de un electrón libre que puede recogerse como corriente eléctrica. Sin embargo, ciertos materiales sufren una fisión singlete, donde la absorción de un fotón conduce a la formación dedos excitones spin-triplet.
Trabajando con investigadores de los Países Bajos, Alemania y Suecia, el equipo de Cambridge confirmó que esta transformación 'dos por uno' implica un estado intermedio evasivo en el que los dos excitones triples están 'enredados', una característica de la teoría cuántica que causaLas propiedades de cada excitón están intrínsecamente vinculadas a las de su compañero.
Al emitir pulsos láser ultrarrápidos, solo unos cuatrillonésimos de segundo, en una muestra de pentaceno, un material orgánico que se somete a fisión de singlete, los investigadores pudieron observar directamente este estado enredado por primera vez, y mostraron cómoLas vibraciones moleculares lo hacen detectable e impulsan su creación a través de la dinámica cuántica. Los resultados se informan hoy 26 de octubre en la revista Química de la naturaleza .
"Aprovechar el proceso de fisión singlete en nuevas tecnologías de células solares podría permitir enormes aumentos en la eficiencia de conversión de energía en las células solares", dijo el Dr. Alex Chin del Laboratorio Cavendish de la Universidad, uno de los coautores del estudio. "Pero antes de que podamospara ello, debemos comprender cómo se produce la fisión del excitón a nivel microscópico. Este es el requisito básico para controlar este proceso fascinante ".
El desafío clave para observar la fisión de singlete en tiempo real es que los excitones entrelazados de espín-triplete son esencialmente 'oscuros' para casi todas las sondas ópticas, lo que significa que no pueden ser creados o destruidos directamente por la luz. En materiales como el pentaceno, la primera etapa- lo que se puede ver - es la absorción de luz que crea un excitón único de alta energía, conocido como excitón singlete giratorio. La posterior fisión del excitón singlete en dos excitones triplete menos energéticos le da al proceso su nombre, perola capacidad de ver lo que sucede se desvanece a medida que se lleva a cabo el proceso.
Para evitar esto, el equipo empleó una técnica poderosa conocida como espectroscopía bidimensional, que consiste en golpear el material con una secuencia coordinada de pulsos láser ultracortos y luego medir la luz emitida por la muestra excitada. Variando el tiempoentre los pulsos en la secuencia, es posible seguir en tiempo real cómo la energía absorbida por los pulsos anteriores se transfiere y se transforma en diferentes estados.
Utilizando este enfoque, el equipo descubrió que cuando las moléculas de pentaceno eran vibradas por los pulsos del láser, ciertos cambios en las formas moleculares hacen que el par de tripletas se absorba brevemente y, por lo tanto, sea detectable por los pulsos posteriores. Al filtrar cuidadosamente todopero estas frecuencias, una señal débil pero inconfundible del estado del par triplete se hizo evidente.
Los autores desarrollaron un modelo que mostró que cuando las moléculas están vibrando, poseen nuevos estados cuánticos que tienen simultáneamente las propiedades del excitón singlete absorbente de luz y los pares de tripletes oscuros. Estas "superposiciones" cuánticas, que sonLa base del famoso experimento mental de Schrödinger en el que un gato está, según la teoría cuántica, en un estado de estar vivo y muerto al mismo tiempo, no solo hace visibles los pares de tripletas, sino que también permite que se produzca la fisión directamente desdeen el momento en que se absorbe la luz.
"Este trabajo muestra que la fisión optimizada en materiales reales requiere que consideremos más que los arreglos estáticos y las energías de las moléculas; su movimiento y dinámica cuántica son igual de importantes", dijo el Dr. Akshay Rao, del Laboratorio Cavendish de la Universidad ".Es un paso crucial hacia la apertura de nuevas rutas hacia células solares de alta eficiencia ".
La investigación fue apoyada por el Consorcio Europeo LaserLab, la Royal Society y la Organización Holandesa para la Investigación Científica.
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