Los científicos muestran por primera vez el "efecto carnaval" cuántico

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Los científicos muestran por primera vez el "efecto carnaval" cuántico
Los científicos muestran por primera vez el "efecto carnaval" cuántico
Anonim

Por primera vez en el mundo, un grupo internacional de científicos dirigido por especialistas de la Universidad Nacional de Investigación Nuclear MEPhI (NRNU MEPhI) pudo demostrar el efecto electrodinámico cuántico predicho recientemente. Según los autores del trabajo, los resultados obtenidos permitirán aumentar varias veces la eficiencia de las células solares, diodos emisores de luz orgánicos y otros equipos fotovoltaicos. El artículo fue publicado en la revista Chemical Science.

Un excitón es una cuasipartícula (un objeto auxiliar de la teoría cuántica), cuyo comportamiento describe el estado ligado de un par de portadores de cargas opuestas, un electrón y un agujero. El concepto de "excitón", como explicaron los científicos de NRNU MEPhI, permite describir con gran precisión, por ejemplo, las propiedades eléctricas de los semiconductores orgánicos cuando interactúan con la luz.

El nacimiento o destrucción de un excitón, es decir, una transformación resonante de energía en un semiconductor orgánico, va acompañado, según los científicos, por la absorción o emisión de un fotón (un cuanto de radiación electromagnética), respectivamente. En un nuevo artículo del equipo de investigación, se demuestra la posibilidad de controlar las propiedades de las transiciones de excitones mediante el efecto de "acoplamiento fuerte".

"El efecto del" acoplamiento fuerte "consiste en la formación de un estado híbrido de energía entre la excitación de una sustancia, que se describe utilizando el concepto de excitón, y la excitación electromagnética localizada. Para crear tales condiciones, se utilizan resonadores especiales, que se basan en un par de espejos situados uno frente al otro a una distancia del orden de la longitud de onda de la luz ", - dijo Igor Nabiev, un destacado científico del Laboratorio de Nano-Bioingeniería (LNBE) de la Universidad Nacional de Investigación Nuclear MEPhI, profesor en la Universidad de Reims en Champaña-Ardenas (Francia).

Transferencia de energía sin pérdidas

Uno de los efectos en los semiconductores orgánicos, para los que se utiliza el término "excitón", es la transferencia de energía resonante de Forster (FRET), que se utiliza en tecnología médica. Consiste en la transferencia de energía sin pérdidas entre dos estados excitónicos en diferentes moléculas ubicadas a pequeña distancia entre sí.

En condiciones estándar, la transferencia se produce en una determinada dirección, desde la molécula donante a la molécula aceptora. Para hacer un uso más amplio del potencial de este fenómeno en la fotovoltaica, fue necesario registrar y estudiar experimentalmente el llamado efecto carnaval, que consiste en un cambio controlado en la dirección de transferencia de energía en el modo FRET entre excitones de diferentes moléculas.

Teóricamente fue predicho hace unos tres años por físicos de los Estados Unidos. Los empleados del Laboratorio de Nano-Bioingeniería de NRNU "MEPhI" se convirtieron en los primeros en el mundo que lograron demostrarlo.

Aumento múltiple de la eficiencia

El resultado práctico más cercano del trabajo, según los autores, es la capacidad de aumentar drásticamente la eficiencia de los dispositivos fotovoltaicos que convierten la energía luminosa en energía eléctrica. Esto se puede lograr recolectando energía de esos estados excitónicos que tradicionalmente resultaron ser canales de pérdidas de energía, anotaron los científicos.

"La posibilidad abierta de recolectar energía de estados de larga duración debido a la formación de estados híbridos de excitón-fotón aumentará en gran medida la eficiencia de los dispositivos electroluminiscentes y fotovoltaicos", explicó Dmitry Dovzhenko, investigador del LNBE NRNU MEPhI, investigador de la Universidad de Southampton (Gran Bretaña).

Los autores del estudio utilizaron una microcavidad desarrollada previamente para crear un fuerte acoplamiento entre los excitones en un par de fluoróforos orgánicos y la luz localizada en la cavidad. Según los científicos de NRNU MEPhI, en este sistema es posible controlar artificialmente una serie de parámetros de transferencia de energía entre el donante y el aceptor, hasta un cambio en la dirección de transferencia.

Control de luz

El sistema creado en NRNU MEPhI puede, según los científicos, utilizarse para el control remoto preciso de reacciones químicas, así como en el desarrollo de tecnologías de imágenes controladas ópticamente en diagnósticos médicos y otras áreas.

“Además de aumentar la eficiencia de FRET, que se usa ampliamente en diagnósticos biomédicos, el 'efecto carnaval' puede usarse para controlar otros procesos fisicoquímicos, por ejemplo, para aumentar en gran medida la eficiencia de la transferencia de carga controlada por un resonador externo o singlete fisión de excitones”, señaló Igor Nabiev.

Al trabajo asistieron especialistas del Instituto de Física y Tecnología de Moscú, Universidad Sechenov, Instituto de Química Bioorgánica que lleva el nombre de V. I. académicos M. M. Shemyakin y Yu. A. Ovchinnikov, Universidad de Southampton (Reino Unido), Universidad de Reims en Champaña-Ardenas (Francia), Centro Internacional de Física de Donostia (España) y Basque Science Foundation (España). La investigación se llevó a cabo con el apoyo de la Russian Science Foundation, subvención No. 21-79-30048.

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