Dzięki najpotężniejszemu laserowi rentgenowskiemu na świecie naukowcom udało się po raz pierwszy bezpośrednio zaobserwować mikroskopijne deformacje atomów zachodzące wewnątrz materiałów ogniw słonecznych. To tak, jakbyśmy nagle otrzymali mikroskop zdolny do rejestrowania procesów trwających femtosekundy – niewyobrażalnie krótkie ułamki sekundy.
W świecie atomowych wgnieceń
Miedzynarodowy zespół z ośrodka European XFEL dokonał czegoś, co jeszcze niedawno wydawało się niemożliwe. Zaobserwowali ekstremalnie małe deformacje spowodowane przez pary elektron-dziura — zjawiska kluczowe dla działania urządzeń optoelektronicznych, choć zupełnie niewidoczne gołym okiem.
Kiedy światło pada na materiał, powstają szczególne struktury zwane parami elektron-dziura. Te pary następnie oddziałują na otaczające atomy, tworząc charakterystyczne „wgniecenie” w siatce krystalicznej. W fizyce ten stan określa się mianem polaronu ekscytonowego – zjawiska fundamentalnego dla zrozumienia interakcji między światłem a materią.
Czytaj także: Laser rentgenowski został schłodzony tak bardzo, że niełatwo znaleźć dla niego konkurencję. Jak go wykorzystać?
Dr Johan Bielecki, kierujący badaniami, porównuje ten proces do obserwowania ruchu atomów za pomocą kamery o wysokiej prędkości. Dzięki niezwykle szybkim błyskom z lasera rentgenowskiego European XFEL zespół był w stanie zwizualizować tę ledwo zauważalną zmianę.
Miniaturowe laboratoria kwantowe
Badania skupiły się na kropkach kwantowych wykonanych z cezu, ołowiu i bromu (CsPbBr3) o średnicy zaledwie 4,9 nanometra. Te nanostruktury są tak niewielkie, że mieszczą zaledwie kilka tysięcy atomów, a ich zachowanie da się wyjaśnić wyłącznie za pomocą mechaniki kwantowej.
W tych mikroskopijnych laboratoriach naukowcy zaobserwowali fascynujący taniec atomów. Deformacja sieci polega na przesunięciu kationów na zewnątrz i anionów do wewnątrz, co jest zgodne z polem elektrycznym wytwarzanym przez zlokalizowany ładunek dodatni i rozproszony ładunek ujemny.
Badanie wykazało, że polaron ekscytonowy w kropkach kwantowych CsPbBr3 stanowi mieszaninę dużego i małego polaronu – odkrycie, które rzuca nowe światło na fundamentalne procesy zachodzące w nanomateriałach.
Potęga europejskiego lasera
European XFEL w Schenefeld koło Hamburga to największy laser rentgenowski na świecie o długości 3,4 kilometra. Ta imponująca instalacja, której większość znajduje się w podziemnych tunelach, generuje światło rentgenowskie o intensywności miliard razy większej niż konwencjonalne źródła synchrotronowe.
Laser może produkować ponad 27 tysięcy błysków światła na sekundę, każdy trwający mniej niż 50 femtosekund. To pozwala naukowcom na obserwację procesów zachodzących w czasie rzeczywistym, zanim nastąpi uszkodzenie radiacyjne próbki.
Do przeprowadzenia badań wykorzystano metodę Seryjnej Krystalografii Femtosekundowej (SFX). W tej technice każda nanokrystaliczna kropka jest mierzona tylko raz i niszczona po ekspozycji, co wymaga analizy tysięcy próbek dla uzyskania wiarygodnych wyników. Zespół zindeksował łącznie 31 547 kryształów z ponad 20 tysięcy klatek z wykrytymi pikami.
Praktyczne perspektywy i zdrowy sceptycyzm
Dr Zhou Shen z zespołu badawczego podkreśla praktyczne znaczenie odkrycia. Lepsze zrozumienie deformacji atomowych umożliwi opracowanie ulepszonych materiałów dla bardziej wydajnych wyświetlaczy, potężniejszych czujników i wydajniejszych ogniw słonecznych.
Odkrycie otwiera drogę do rozwoju nowych technologii w kilku kluczowych obszarach, obejmujących między innymi ultraczułe detektory światła wykorzystujące kontrolowane efekty polaronowe, zaawansowane wyświetlacze o lepszych parametrach energetycznych, ogniwa słoneczne nowej generacji o zwiększonej wydajności konwersji oraz komponenty komputerów kwantowych wykorzystujące właściwości kropek kwantowych.
Czytaj także: Promieniowanie rentgenowskie z potężnymi impulsami. Są wielokrotnie silniejsze od dotychczasowych
Badanie opublikowane w czasopiśmie ACS Nano demonstruje wyjątkową czułość techniki SFX na małe reorganizacje sieci atomowej. To dopiero pierwszy krok w kierunku specyficznego kontrolowania efektów polaronowych, co może umożliwić rozwój jeszcze potężniejszych i bardziej energooszczędnych komponentów optoelektronicznych.
Przełomowe odkrycie zespołu z European XFEL stanowi fundament dla przyszłych innowacji w technologiach odnawialnych źródeł energii. Możliwość bezpośredniej obserwacji i zrozumienia procesów zachodzących na poziomie pojedynczych atomów otwiera przed naukowcami zupełnie nowe możliwości projektowania materiałów o właściwościach dostosowanych do konkretnych zastosowań, choć do praktycznego wykorzystania tych odkryć w codziennych urządzeniach minie jeszcze sporo czasu.