Forskare från Los Alamos National Laboratory har syntetiserat magnetiskt dopade kvantprickar som fångar den kinetiska energin hos elektroner som skapas av ultraviolett ljus innan det slösas bort som värme.

"Denna upptäckt kan potentiellt möjliggöra roman, högeffektiva solceller, ljusdetektorer, fotokatoder och ljusdrivna kemiska reaktioner, sa Victor Klimov, ledande forskare på Laboratoriets kvantprickprojekt.

I vanliga solceller, en stor mängd solljusenergi går till spillo som värme. Detta avfall uppstår på grund av bristen på effektiva metoder för att fånga kinetisk energi av "heta" elektroner som genereras av fotoner i den gröna till ultravioletta delen av solens ljusspektrum. Problemet är att heta elektroner förlorar sin energi mycket snabbt på grund av interaktioner med kristallgitter som enheterna är gjorda av, vilket leder till vibrationer som kallas fononer. Denna process sker vanligtvis inom några pikosekunder (biljondels sekund).

Tidigare försök att fånga varmbärarenergi har utnyttjat överföringen av kinetisk energi från den energiska heta elektronen till en orörlig, lågenergielektron som exciterar den till ett strömledande tillstånd. Denna effekt, känd som bärarmultiplikation, fördubblar antalet elektroner som bidrar till fotoströmmen som kan användas för att öka prestandan hos solceller. I de flesta konventionella material, dock, energiförlusterna till fononer överstiger energivinsterna vid bärvågsmultiplikation.

I deras studie publicerad idag i Naturens nanoteknik , forskare visar att inkorporering av magnetiska joner i kvantprickar kan avsevärt förbättra användbar, energiproducerande interaktioner så att de blir snabbare än slösaktig fononspridning.

För att genomföra dessa idéer, forskarna förberedde mangandopade kvantprickar baserade på kadmiumselenid. "Fotonen som absorberas av kadmiumselenidkvantpunkten skapar ett elektron-hålspar, eller en exciton, " sa Klimov." Denna exciton fångas snabbt av dopämnet som skapar ett exciterat tillstånd som lagrar energi ungefär som en komprimerad fjäder. När den andra fotonen absorberas av kvantpunkten, den lagrade energin frigörs och överförs till den nyskapade excitonen och främjar den till ett högre energitillstånd. Energifrisättningen från manganjonen åtföljs av att dess magnetiska moment vänds, känd som spin. Därför kallas denna process för spin-exchange Auger energiöverföring."

En spännande observation av LANL-forskare var den extremt korta tidsskalan för spin-exchange Auger-interaktioner - runt en tiondel av en pikosekund. Till deras förvåning, dessa interaktioner var snabbare än fononemissioner, som allmänt ansågs vara den snabbaste processen i halvledarmaterial. För att bevisa att den nya effekten kunde slå fononassisterad kylning, Los Alamos-forskare visade att korrekt designade magnetiskt dopade kvantprickar gjorde det möjligt för dem att extrahera en het elektron skapad av en ultraviolett foton innan den förlorar sin energi för att värma upp kristallgittret.

Dessa paradigmskiftande fynd öppnar spännande möjligheter för att utnyttja spin-exchange Auger-processer i avancerade system för att öka prestandan hos solceller eller driva ovanliga fotokemiska reaktioner. Intressanta möjligheter finns också inom områden med hög känslighet, höghastighetsljusdetektering och nya typer av ljusdrivna elektronkällor.