Genom att använda en ultrasnabb kamera, forskare säger att de har observerat de allra första ögonblicken efter absorptionen av ljus i konstgjorda men ändå organiska nanostrukturer och funnit att laddningar inte bara bildades snabbt utan också separerade mycket snabbt över långa avstånd - fenomen som uppstår på grund av elektronernas vågliknande natur som styrs av kvantmekanikens grundläggande lagar.

Detta resultat överraskade forskare eftersom sådana fenomen ansågs vara begränsade till "perfekta" - och dyra - oorganiska strukturer; snarare än det mjuka, flexibelt organiskt material som många tror är nyckeln till billigt, "rulla-till-rulle" solceller som kunde skrivas ut vid rumstemperatur - en helt annan värld än den traditionella men kostsamma bearbetningen av nuvarande kiselteknologier.

Studien, publiceras idag i tidskriften Vetenskap , kastar nytt ljus över mysteriemekanismen som gör att positiva och negativa laddningar kan separeras effektivt - en kritisk fråga som fortsätter att förbrylla forskare - och tar forskare ett steg närmare för att effektivt efterlikna den mycket effektiva förmågan att skörda solljus och omvandlas till energi, nämligen fotosyntes, som den naturliga världen utvecklats under loppet av årtusenden.

"Detta är ett mycket överraskande resultat. Sådana kvantfenomen är vanligtvis begränsade till perfekta kristaller av oorganiska halvledare, och man förväntar sig inte att se sådana effekter i organiska molekyler - som är mycket oordnade och tenderar att likna en tallrik kokt spagetti snarare än en kristall, sa Dr Simon Gélinas, från Cambridge's Cavendish Laboratory, som ledde forskningen med kollegor från Cambridge samt University of California i Santa Barbara.

Under de första femtosekunderna (en miljondel av en miljarddels sekund) sprider sig varje laddning över flera molekyler istället för att vara lokaliserad till en enda. Detta fenomen, känd som rumslig koherens, tillåter en laddning att färdas mycket snabbt över flera nanometer och fly från sin motsatt laddade partner - ett första steg som verkar vara nyckeln till att generera långlivade laddningar, säger forskarna. Denna kan sedan användas för att generera elektricitet eller för kemiska reaktioner.

Genom att noggrant konstruera hur molekyler packas ihop, teamet fann att det var möjligt att justera den rumsliga koherensen och att förstärka - eller minska - denna långdistansseparation. "Kanske viktigast av allt tyder resultaten på att eftersom processen är så snabb är den också energieffektiv, vilket kan leda till mer energi från solcellen, " sa Dr Akshay Rao, en medförfattare på studien från Cavendish Laboratory.

Dr Alex Chin, som ledde den teoretiska delen av projektet, tillade att, om du ser bortom konsekvensen av studien för organiska solceller, detta är en tydlig demonstration av "hur grundläggande kvantmekaniska processer, såsom koherens, spelar en avgörande roll i oordnade organiska och biologiska system och kan utnyttjas i nya kvantteknologier".