En kvasipartikel som kallas exciton – ansvarig för överföringen av energi inom enheter som solceller, lysdioder, och halvledarkretsar – har förståtts teoretiskt i årtionden. Men excitonrörelse i material har aldrig observerats direkt.

Nu har forskare vid MIT och City College of New York uppnått den bedriften, avbilda excitonernas rörelser direkt. Detta kan möjliggöra forskning som leder till betydande framsteg inom elektronik, de säger, samt en bättre förståelse för naturliga energiöverföringsprocesser, som fotosyntes.

Forskningen beskrivs denna vecka i tidskriften Naturkommunikation , i en artikel medförfattare av MIT postdocs Gleb Akselrod och Parag Deotare, professorerna Vladimir Bulovic och Marc Baldo, och fyra andra.

"Detta är den första direkta observationen av excitondiffusionsprocesser, Bulovic säger, "visar att kristallstrukturen dramatiskt kan påverka diffusionsprocessen."

"Excitoner är kärnan i enheter som är relevanta för modern teknik, " Akselrod förklarar:Partiklarna bestämmer hur energin rör sig på nanoskala. "Effektiviteten hos enheter som solceller och lysdioder beror på hur väl excitoner rör sig i materialet, " han lägger till.

En exciton, som färdas genom materia som om det vore en partikel, parar en elektron, som har en negativ laddning, med en plats där en elektron har tagits bort, känt som ett hål. Övergripande, den har en neutral laddning, men det kan bära energi. Till exempel, i en solcell, en inkommande foton kan träffa en elektron, sparka den till en högre energinivå. Den högre energin fortplantas genom materialet som en exciton:partiklarna själva rör sig inte, men den förstärkta energin överförs från en till en annan.

Även om det tidigare var möjligt att avgöra hur snabbt, i genomsnitt, excitoner kan röra sig mellan två punkter, "Vi hade verkligen ingen information om hur de kom dit, " säger Akselrod. Sådan information är väsentlig för att förstå vilka aspekter av ett material struktur – till exempel, graden av molekylär ordning eller störning – kan underlätta eller bromsa den rörelsen.

"Människor antog alltid ett visst beteende hos excitonerna, " säger Deotare. Nu, med den här nya tekniken – som kombinerar optisk mikroskopi med användningen av särskilda organiska föreningar som gör excitonernas energi synlig – "kan vi direkt säga vilken typ av beteende excitonerna rörde sig med." Detta framsteg gav forskarna möjligheten att observera vilken av två möjliga typer av "hoppande" rörelse som faktiskt ägde rum.

"Det här låter oss se nya saker, "Deotare säger, vilket gör det möjligt att visa att nanoskalastrukturen hos ett material avgör hur snabbt excitoner fastnar när de rör sig genom det.

För vissa applikationer, såsom lysdioder, Deotare säger, det är önskvärt att maximera denna fångst, så att energi inte går förlorad vid läckage; för andra ändamål, som solceller, det är viktigt att minimera fångst. Den nya tekniken bör göra det möjligt för forskare att avgöra vilka faktorer som är viktigast för att öka eller minska denna fångst.

"Vi visade hur energiflödet hindras av oordning, vilket är den avgörande egenskapen för de flesta material för lågkostnadssolceller och lysdioder, säger Baldo.

Medan dessa experiment utfördes med ett material som kallas tetracen - en välstuderad arketyp av en molekylär kristall - säger forskarna att metoden borde kunna tillämpas på nästan alla kristallina eller tunnfilmsmaterial. De förväntar sig att det kommer att bli allmänt anammat av forskare inom akademi och industri.

"Det är en väldigt enkel teknik, när folk lär sig om det, " säger Akselrod, "och den utrustning som krävs är inte så dyr."

Excitondiffusion är också en grundläggande mekanism bakom fotosyntesen:växter absorberar energi från fotoner, och denna energi överförs av excitoner till områden där den kan lagras i kemisk form för senare användning för att stödja växtens ämnesomsättning. Den nya metoden kan ge ett ytterligare verktyg för att studera vissa aspekter av denna process, säger laget.