Исследователям удалось в первый раз зафиксировать сверхбыстрое перемещение электронов между молекулами. Эксперимент опроверг действующие теории о механизмах переноса заряда.
Физики из Кембриджского университета совершили значительный шаг в изучении квантовых процессов, зафиксировав движение электронов между молекулами за рекордные 18 фемтосекунд. Это открытие ставит под сомнение действующие теории о механизмах переноса заряда в современных фотоэлектрических устройствах.
Сама величина в 18 фемтосекунд — это число, которое трудно визуализировать. За это время свет проходит лишь несколько нанометров, а большинство химических реакций даже не успевают начаться. Ранее считалось, что столь стремительный перенос заряда требует либо значительной разницы в энергии между материалами, либо их очень тесного молекулярного контакта. Эксперимент Кембриджа опроверг оба этих представления сразу: система с минимальной энергетической ступенью сработала быстрее, чем многие «классически выгодные» конфигурации.
Практическое значение открытия выходит далеко за пределы солнечной энергетики. Перенос заряда между молекулами — это ключевой процесс не только в фотовольтаике, но и в биологии: именно так функционирует фотосинтез, именно так в сетчатке глаза свет преобразуется в нервный импульс. Природа, похоже, давно освоила тот же квантово-механический трюк с колебаниями, который физики только теперь научились воспроизводить в лаборатории.
Ученые разработали экспериментальную систему из двух материалов — полимерного донора и неффулеренового акцептора (это такая субстанция в органической электронике, которая принимает электроны от другого материала-донора, но при этом не относится к классу молекул фуллеренов), у которых наблюдается очень малое различие в энергии. Согласно классической теории, в такой системе заряд должен перемещаться медленно. Однако эксперимент продемонстрировал противоположное: частицы переходили из одного материала в другой практически мгновенно — за время, сравнимое с колебаниями атомов.
Сверхточные лазерные измерения позволили разобраться, как именно происходит этот процесс. Когда на материал воздействует свет, молекулы полимера начинают быстро вибрировать. Эти колебания изменяют состояние электронов и способствуют их переходу через границу между материалами. В результате электрон «перепрыгивает» в акцепторную молекулу, где запускает новое согласованное колебание.
