Ända sedan J.J. Thompsons upptäckt av elektronen 1897, forskare har försökt beskriva den subatomära partikelns rörelse med en mängd olika sätt. Elektroner är alldeles för små och snabba för att ses, även med hjälp av ett ljusmikroskop. Detta har gjort det svårt att mäta en elektronrörelse under det senaste århundradet. Dock, ny forskning från Femtosecond Spectroscopy Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), publiceras i Naturens nanoteknik , har gjort denna process mycket enklare.

"Jag ville se elektronerna i materialet. Jag ville se elektronerna röra sig, inte bara för att förklara deras rörelse genom att mäta en förändring av ljustransmission och reflektion i materialet, " sa prof. Keshav Dani, ledare för enheten. Den begränsande faktorn för att studera elektronrörelser med hjälp av tidigare tekniker var att instrumenteringen antingen kunde ge utmärkt tidsupplösning eller rumslig upplösning, men inte båda. Dr Michael Man, en postdoktor vid Prof. Danis enhet, kombinerade teknikerna för UV-ljuspulser och elektronmikroskopi för att se elektroner röra sig inuti en solcell.

Om du lyser på ett material, ljusenergin kan absorberas av elektronerna och flytta dem från ett lågenergitillstånd till ett högre. Om ljuspulsen som du lyser mot materialet är mycket, mycket korta, några miljondelar av en miljarddels sekund - det vill säga några femto sekunder - det skapar en mycket snabb förändring i materialet. Dock, denna förändring varar inte länge, eftersom materialet går tillbaka till sitt ursprungliga tillstånd på en mycket snabb tidsskala. För att en enhet ska fungera, som i en solcell, vi måste utvinna energi från materialet medan det fortfarande är i högenergitillståndet. Forskare vill studera hur material ändrar tillstånd och förlorar energi. "I verkligheten, du kan inte se dessa elektroner ändra tillstånd på en så snabb tidsskala. Så, vad du gör är att mäta förändringen av reflektionsförmågan hos materialet, " förklarade Dr. Man. För att förstå hur materialet förändras när det utsätts för ljus, forskare exponerar materialet för en mycket kort, men intensivt, ljuspuls som orsakar förändringen, och sedan fortsätta att mäta förändringen som introduceras av den första pulsen genom att sondera materialet med efterföljande mycket svagare ljuspulser vid olika fördröjningstider efter den första pulsen.

Som det första diskreta knippet av masslös energi, eller foton, ändrar materialet, genom att snabbt värma det till exempel, reflektionen av de efterföljande fotonförändringarna. När materialet svalnar, reflektionen går tillbaka till den ursprungliga. Dessa skillnader berättar forskarna om dynamiken i det observerade fenomenet. "Problemet är att du faktiskt inte direkt observerar elektrondynamiken som orsakar förändringarna:du mäter reflektionen och sedan försöker du hitta en förklaring baserad på tolkningen av dina data, "Sade Dani." Du skapar en modell som förklarar resultaten av ditt experiment. Men du ser faktiskt inte vad som händer. "

Prof. Danis team hittade ett sätt att visualisera detta fenomen i en halvledarenhet. "När pulsen träffar materialet, det tar ut några elektroner, och vi använder ett elektronmikroskop som bildar en bild av var de förskjutna elektronerna kom ifrån, "Dr Man." Om du gör det här många gånger, för många fotoner, man kan långsamt bygga upp en bild av fördelningen av elektronerna i materialet. Så du fotoexciterar provet, du väntar på en viss tid, och sedan undersöker du ditt prov och du upprepar denna process om och om igen, att hålla fördröjningen mellan den första pulsen av fotoner och de sonderande fotonerna alltid densamma." Som ett slutresultat, du får en bild av platsen för de flesta av elektronerna i materialet vid en viss tidsfördröjning.

Sedan, forskarna ändrar tidsfördröjningen mellan de två pulserna - den fotoexciterande och den sonderande - och de skapar en annan bild av elektronernas placering. När en bild har skapats, probpulsen fördröjs ytterligare, skapa en serie bilder som beskriver elektronernas positioner i efterföljande tider efter fotoexciteringen. "När du syr ihop alla dessa bilder, du har äntligen en video, " Prof. Dani sa. "En video av hur elektronerna rör sig i materialet efter fotoexcitering:du ser elektronerna bli exciterade, och sedan gå tillbaka till sitt ursprungliga tillstånd."

"Vi har gjort en video av en mycket grundläggande process:för första gången föreställer vi oss inte vad som händer inuti en solcell, vi ser det faktiskt. Vi kan nu beskriva vad vi ser i denna time-lapse video, vi behöver inte längre tolka data och föreställa oss vad som kan ha hänt inuti ett material. Detta är en ny dörr för att förstå elektronernas rörelse i halvledarmaterial." Prof. Dani utsvävade. Denna forskning ger en ny insikt i elektronernas rörelser som potentiellt kan förändra hur solceller och halvledarenheter byggs. Denna nya insikt ger teknikområdet ett steg närmare att bygga bättre och effektivare elektroniska enheter.