Desde que J.J. El descubrimiento del electrón de Thompson en 1897, Los científicos han intentado describir el movimiento de la partícula subatómica utilizando una variedad de medios diferentes. Los electrones son demasiado pequeños y rápidos para ser vistos, incluso con la ayuda de un microscopio óptico. Esto ha dificultado mucho la medición del movimiento de un electrón durante el siglo pasado. Sin embargo, nueva investigación de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos en la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST), publicado en Nanotecnología de la naturaleza , ha facilitado mucho este proceso.

"Quería ver los electrones en el material. Quería ver los electrones moverse, no solo para explicar su movimiento midiendo un cambio de transmisión de luz y reflexión en el material, "dijo el profesor Keshav Dani, líder de la Unidad. El factor limitante para estudiar el movimiento de electrones utilizando técnicas anteriores era que la instrumentación podía proporcionar una excelente resolución temporal o espacial. pero no ambos. Dr. Michael Man, becario postdoctoral en la Unidad del Prof.Dani, combinó las técnicas de pulsos de luz ultravioleta y microscopía electrónica para ver los electrones moviéndose dentro de una célula solar.

Si iluminas un material, la energía de la luz puede ser absorbida por los electrones y moverlos de un estado de baja energía a uno más alto. Si el pulso de luz que brillas en el material es muy, muy corto, unas pocas millonésimas de mil millonésimas de segundo, es decir, unos pocos femto segundos, crea un cambio muy rápido en el material. Sin embargo, este cambio no dura mucho, a medida que el material vuelve a su estado original en una escala de tiempo muy rápida. Para que un dispositivo funcione, como en una celda solar, tenemos que extraer energía del material mientras aún se encuentra en el estado de alta energía. Los científicos quieren estudiar cómo los materiales cambian de estado y pierden energía. "En realidad, no se puede ver cómo estos electrones cambian de estado en una escala de tiempo tan rápida. Entonces, lo que haces es medir el cambio de reflectividad del material, ", Explicó el Dr. Man. Para comprender cómo cambia el material cuando se expone a la luz, los investigadores exponen el material a una muy corta, pero intenso, pulso de luz que causa el cambio, y luego continuar midiendo el cambio introducido por el primer pulso sondeando el material con pulsos de luz subsiguientes mucho más débiles en diferentes tiempos de retardo después del primer pulso.

Como el primer paquete discreto de energía sin masa, o fotón, cambia el material, calentándolo rápidamente, por ejemplo, el reflejo de los cambios de fotones subsiguientes. A medida que el material se enfría, el reflejo vuelve al original. Estas diferencias les dicen a los científicos la dinámica del fenómeno observado. "El problema es que en realidad no observas directamente la dinámica electrónica que causa los cambios:mides la reflexión y luego intentas encontrar una explicación basada en la interpretación de tus datos, "Dijo el profesor Dani." Creas un modelo que explica los resultados de tu experimento. Pero en realidad no ves lo que está sucediendo ".

El equipo del profesor Dani encontró una manera de visualizar este fenómeno en un dispositivo semiconductor. "Cuando el pulso golpea el material, saca algunos electrones, y usamos un microscopio electrónico que forma una imagen de dónde provienen los electrones desplazados, "Dijo el Dr. Man." Si haces esto muchas veces, para muchos fotones, lentamente puede construir una imagen de la distribución de los electrones en el material. Así que foto-excita la muestra, esperas un tiempo determinado, y luego prueba su muestra y repite este proceso una y otra vez, manteniendo siempre el mismo retraso entre el primer pulso de fotones y los fotones de sondeo ". Como resultado final, obtienes una imagen de la ubicación de la mayoría de los electrones en el material en un retardo de tiempo específico.

Luego, los investigadores cambian el tiempo de retardo entre los dos pulsos, el fotoexcitación y el de sondeo, y crean otra imagen de la ubicación de los electrones. Una vez que se crea una imagen, el pulso de palpación se retrasa aún más, creando una serie de imágenes que describen las posiciones de los electrones en tiempos posteriores a la fotoexcitación. "Cuando unes todas estas imágenes, finalmente tienes un video, ", Dijo el profesor Dani." Un video de cómo los electrones se mueven en el material después de la fotoexcitación:ves que los electrones se excitan, y luego volver a su estado original ".

"Hemos hecho un video de un proceso muy fundamental:por primera vez no estamos imaginando lo que está sucediendo dentro de una célula solar, en realidad lo estamos viendo. Ahora podemos describir lo que vemos en este video de lapso de tiempo, ya no tenemos que interpretar datos e imaginar lo que podría haber sucedido dentro de un material. Esta es una nueva puerta para comprender el movimiento de los electrones en los materiales semiconductores ". El profesor Dani se expresó. Esta investigación proporciona una nueva perspectiva sobre el movimiento de los electrones que podría cambiar la forma en que se construyen las células solares y los dispositivos semiconductores. Esta nueva perspectiva aporta el campo de la tecnología un paso más cerca de construir dispositivos electrónicos mejores y más eficientes.