En av de stora fördelarna med de små halvledarbitarna som kallas kvantprickar är att de kan dra ut flera elektroner från en enda foton, en funktion som kallas "bärvågsmultiplikation, " vilket kan leda till billiga och högeffektiva solceller och nya typer av foto- och strålningsdetektorer.

Att upptäcka och kvantifiera denna multiplikationsprocess i fungerande enheter har visat sig vara utmanande, dock, som noterat av Victor Klimov, chef för Center for Advanced Solar Photophysics (CASP) vid Los Alamos National Laboratory. "Det viktigaste framsteg är en nyutvecklad förmåga som gör att vi kan följa ödet för fotogenererade elektroner på ultrasnabba tidsskalor direkt i fotoströmsmätningarna. Forskning i vårt team och på andra håll hade tidigare fokuserat på att använda optisk spektroskopi för att detektera bärarmultiplikation och kvantifiera dess effektivitet, " han sa.

"Det har förblivit oklart om effektiviteten som observerats i spektroskopiska mätningar kan reproduceras i en fotoström av verkliga enheter. Vår nya studie tillåter oss att ta itu med denna viktiga fråga."

Den nya tekniken innebär att övervaka fotoströmtransienter i specialkonstruerade fotodetektorer som ger mycket hög tidsupplösning på endast 50 pikosekunder.

Jianbo Gao, postdoktorn som arbetar med detta projekt och medförfattare till en ny Nature Communications-uppsats, sa, "Mätningarna har blivit möjliga med hjälp av nyutvecklade fotodetektorer som innehåller kvantpunkter som en del av enheten och som fungerar som dess aktiva fotokonduktiva skikt. Genom att använda en lämplig fotodetektordesign i kombination med ultrasnabb elektronik, vi har kunnat lösa mycket korta fotoströmspikar på grund av multiexcitoner som produceras i en bärarförökningsprocess."

Sa Andrew Fidler, en Los Alamos-direktörs postdoktor i projektet, "En viktig svårighet med bärarmultiplikation är att snabbt extrahera fotogenererade bärare innan de rekombinerar." I fallet med multiexcitoner, denna rekombinationsprocess styrs av så kallat Auger-förfall, som kännetecknas av extremt korta, pikosekunders tidsskalor. "Med våra nya fotodetektorer, vi har visat att genom att applicera en lämplig kemisk behandling på det kvantprickiga yttre lagret, vi kan extrahera laddningar från kvantpunkten innan de rekombineras. Detta bevisar att bärarmultiplikation är en gångbar metod för att förbättra fotoström för verkliga enheter."