I strävan att skörda ljus för elektronik, brännpunkten är det ögonblick då fotoner – ljuspartiklar – möter elektroner, de negativt laddade subatomära partiklarna som utgör grunden för våra moderna elektroniska liv. Om förhållandena är rätt när elektroner och fotoner möts, ett energiutbyte kan ske. Att maximera denna överföring av energi är nyckeln till att göra effektiv ljusfångad energi möjlig.

"Detta är idealet, men att hitta hög effektivitet är mycket svårt, ", sa University of Washingtons fysikdoktorand Sanfeng Wu. "Forskare har letat efter material som låter dem göra detta – ett sätt är att få varje absorberad foton att överföra all sin energi till många elektroner, istället för bara en elektron i traditionella enheter."

I traditionella ljusskördsmetoder, energi från en foton exciterar bara en elektron eller ingen beroende på absorbatorns energigap, överför bara en liten del av ljusenergin till elektricitet. Den återstående energin går förlorad som värme. Men i en tidning som släpptes den 13 maj Vetenskapens framsteg , Wu, UW docent Xiaodong Xu och kollegor vid fyra andra institutioner beskriver ett lovande tillvägagångssätt för att få fotoner att stimulera flera elektroner. Deras metod utnyttjar några överraskande interaktioner på kvantnivå för att ge en foton flera potentiella elektronpartners. Wu och Xu, som har uppdrag i UW:s institution för materialvetenskap och teknik och institutionen för fysik, gjorde denna överraskande upptäckt med grafen.

"Grafen är ett ämne med många spännande egenskaper, " sa Wu, tidningens huvudförfattare. "För våra syften, det visar en mycket effektiv interaktion med ljus."

Grafen är ett tvådimensionellt hexagonalt gitter av kolatomer bundna till varandra, och elektroner kan lätt röra sig inom grafen. Forskarna tog ett enda lager grafen - bara ett ark med kolatomer tjockt - och placerade det mellan två tunna lager av ett material som kallas bornitrid.

"Bornitrid har en gitterstruktur som är mycket lik grafen, men har väldigt olika kemiska egenskaper, " sade Wu. "Elektroner flödar inte lätt inom bornitrid; den fungerar i huvudsak som en isolator."

Xu och Wu upptäckte att när grafenskiktets gitter är i linje med skikten av bornitrid, en typ av "supergitter" skapas med egenskaper som möjliggör effektiv optoelektronik som forskare hade sökt. Dessa egenskaper är beroende av kvantmekanik, de ibland förbryllande reglerna som styr interaktioner mellan alla kända partiklar av materia. Wu och Xu upptäckte unika kvantregioner inom supergittret som kallas Van Hove-singulariteter.

"Detta är regioner med enorm elektrontäthet av tillstånd, och de var inte tillgängliga i varken grafen eller bornitrid enbart, ", sa Wu. "Vi skapade bara dessa områden med hög elektrondensitet på ett tillgängligt sätt när båda lagren var inriktade mot varandra."

När Xu och Wu riktade energiska fotoner mot supergittret, de upptäckte att dessa Van Hove-singulariteter var platser där en strömsatt foton kunde överföra sin energi till flera elektroner som sedan samlas in av elektroder – inte bara en elektron eller ingen med den återstående energin förlorad som värme. Med en försiktig uppskattning, Xu och Wu rapporterar att inom detta supergitter kan en foton "sparka" så många som fem elektroner att flyta som ström.

Med upptäckten av att samla flera elektroner vid absorption av en foton, forskare kanske kan skapa högeffektiva enheter som kan skörda ljus med en stor energivinst. Framtida arbete skulle behöva avslöja hur man organiserar de exciterade elektronerna till elektrisk ström för att optimera energiomvandlingseffektiviteten och ta bort några av de mer besvärliga egenskaperna hos deras supergitter, såsom behovet av ett magnetfält. Men de tror att denna effektiva process mellan fotoner och elektroner representerar stora framsteg.

"Graphene är en tiger med stor potential för optoelektronik, men inlåst i en bur, " sa Wu. "Singulariteterna i detta supergitter är nyckeln till att låsa upp den buren och frigöra grafenens potential för ljusskördstillämpning."