Gli scienziati mostrano per la prima volta l'"effetto carnevale" quantistico

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Gli scienziati mostrano per la prima volta l'"effetto carnevale" quantistico
Gli scienziati mostrano per la prima volta l'"effetto carnevale" quantistico
Anonim

Per la prima volta al mondo, un gruppo internazionale di scienziati guidati da specialisti della National Research Nuclear University MEPhI (NRNU MEPhI) è stato in grado di dimostrare l'effetto elettrodinamico quantistico recentemente previsto. Secondo gli autori del lavoro, i risultati ottenuti consentiranno più volte di aumentare l'efficienza di celle solari, diodi organici a emissione di luce e altre apparecchiature fotovoltaiche. L'articolo è stato pubblicato sulla rivista Chemical Science.

Un eccitone è una quasiparticella (un oggetto ausiliario della teoria quantistica), il cui comportamento descrive lo stato legato di una coppia di portatori di cariche opposte, un elettrone e una lacuna. Il concetto di "eccitone", come hanno spiegato gli scienziati di NRNU MEPhI, consente di descrivere con elevata precisione, ad esempio, le proprietà elettriche dei semiconduttori organici quando interagiscono con la luce.

La nascita o la distruzione di un eccitone - cioè una trasformazione risonante di energia in un semiconduttore organico - è accompagnata, secondo gli scienziati, dall'assorbimento o dall'emissione di un fotone (un quanto di radiazione elettromagnetica), rispettivamente. In un nuovo articolo del gruppo di ricerca viene dimostrata la possibilità di controllare le proprietà delle transizioni degli eccitoni utilizzando l'effetto "accoppiamento forte".

"L'effetto di" accoppiamento forte "consiste nella formazione di uno stato ibrido di energia tra l'eccitazione in una sostanza, che viene descritta usando il concetto di un eccitone, e l'eccitazione elettromagnetica localizzata. Per creare tali condizioni, vengono utilizzati risonatori speciali, che si basano su una coppia di specchi posti uno di fronte all'altro a distanza dell'ordine della lunghezza d'onda della luce ", - ha affermato Igor Nabiev, uno dei principali scienziati del Laboratorio di Nano-Bioingegneria (LNBE) dell'Università Nazionale di Ricerca Nucleare MEPhI, professore presso l'Università di Reims in Champagne-Ardenne (Francia).

Trasferimento di energia senza perdite

Uno degli effetti nei semiconduttori organici, per i quali viene utilizzato il termine "eccitone", è il trasferimento di energia risonante di Forster (FRET), utilizzato nella tecnologia medica. Consiste nel trasferimento di energia senza perdite tra due stati eccitonici in molecole diverse situate a piccola distanza l'una dall'altra.

In condizioni standard, il trasferimento avviene in una certa direzione, dalla molecola donatrice alla molecola accettore. Per sfruttare maggiormente le potenzialità di questo fenomeno nel fotovoltaico, è stato necessario registrare e studiare sperimentalmente il cosiddetto effetto carnevale, che consiste in un cambiamento controllato nella direzione del trasferimento di energia in modalità FRET tra eccitoni di diverse molecole.

È stato previsto in teoria circa tre anni fa da fisici statunitensi. I dipendenti del Laboratorio di Nano-Bioingegneria di NRNU "MEPhI" sono diventati i primi al mondo che sono riusciti a dimostrarlo.

Aumento multiplo dell'efficienza

Il risultato pratico più vicino del lavoro, secondo gli autori, è la capacità di aumentare notevolmente l'efficienza dei dispositivi fotovoltaici che convertono l'energia luminosa in energia elettrica. Ciò può essere realizzato raccogliendo energia da quegli stati di eccitone che tradizionalmente si sono rivelati canali di perdite di energia, hanno osservato gli scienziati.

"La possibilità aperta di raccogliere energia da stati di lunga vita a causa della formazione di stati ibridi di eccitone-fotone aumenterà notevolmente l'efficienza dei dispositivi elettroluminescenti e fotovoltaici", ha spiegato Dmitry Dovzhenko, ricercatore presso LNBE NRNU MEPhI, ricercatore presso l'Università di Southampton (Gran Bretagna).

Gli autori dello studio hanno utilizzato una microcavità precedentemente sviluppata per creare un forte accoppiamento tra gli eccitoni in una coppia di fluorofori organici e la luce localizzata nella cavità. Secondo gli scienziati di NRNU MEPhI, in questo sistema è possibile controllare artificialmente una serie di parametri di trasferimento di energia tra donatore e accettore, fino a un cambiamento nella direzione del trasferimento.

Controllo della luce

Il sistema creato presso NRNU MEPhI può, secondo gli scienziati, essere utilizzato per il controllo remoto preciso delle reazioni chimiche, nonché per lo sviluppo di tecnologie di imaging a controllo ottico nella diagnostica medica e in altre aree.

“Oltre ad aumentare l'efficienza del FRET, ampiamente utilizzato nella diagnostica biomedica, l'”effetto carnevale” può essere utilizzato per controllare altri processi fisico-chimici, ad esempio per aumentare notevolmente l'efficienza del trasferimento di carica controllato da un risonatore esterno o singoletto. fissione degli eccitoni , ha osservato Igor Nabiev.

Al lavoro hanno partecipato specialisti dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca, Università Sechenov, Istituto di chimica bioorganica intitolato a V. I. accademici M. M. Shemyakin e Yu. A. Ovchinnikov, Università di Southampton (Regno Unito), Università di Reims in Champagne-Ardenne (Francia), Centro internazionale di fisica Donostia (Spagna) e Basque Science Foundation (Spagna). La ricerca è stata condotta con il supporto della Russian Science Foundation, sovvenzione n. 21-79-30048.

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