Este trabajo, dado a conocer hoy, reviste gran importancia, especialmente para optimizar la producción de energía sostenible mediante energía fotovoltaica. Proporciona los fundamentos esenciales para comprender los procesos físicos que ocurren, por ejemplo, en las células solares orgánicas. El artículo fue publicado en Physical Review X, una de las revistas de física más prestigiosas del mundo.
Ya sea en células solares o durante la fotosíntesis, cuando la luz incide sobre una superficie, sus partículas, los fotones, son absorbidas por el material, excitando así energéticamente los electrones. Esto modifica su distribución espacial —la denominada función de onda— y se forma un enlace entre cada electrón y el hueco resultante. Estos pares excitados se denominan excitones y desempeñan un papel fundamental en los materiales optoelectrónicos modernos. Sin embargo, aunque se conocen desde hace décadas, su estructura cuántica interna ha permanecido en gran medida oculta.
Filmación #
Para filmar este proceso, los científicos primero excitaron el excitón con luz y luego extrajeron los electrones del enlace de pares mediante un pulso láser de alta energía. Este último proceso se conoce como fotoemisión. «Al medir la energía y la dirección de los electrones, se puede deducir su estado cuántico mediante modelos teóricos. Al variar el tiempo entre la excitación y el pulso láser subsiguiente, se obtienen diferentes instantáneas del excitón, que se combinan para formar un vídeo del mundo cuántico», explicó Puschnig.
Investigación internacional de vanguardia #
Este trabajo fue fruto de la estrecha colaboración entre tres grupos de investigación líderes a nivel internacional. Stefan Tautz y su equipo del Forschungszentrum Jülich produjeron y caracterizaron las muestras de semiconductores orgánicos y las transportaron a Marburgo en condiciones de ultra alto vacío, garantizando así que su excepcional calidad se conservara hasta el momento de la medición. «Las muestras son películas ultrafinas y ordenadas de la molécula en forma de varilla 6T, depositadas sobre una superficie de cobre especialmente preparada. La alineación precisa de las moléculas y su desacoplamiento selectivo del sustrato son cruciales para mantener el excitón el tiempo suficiente para visualizar su generación», explicó Monja Stettner, quien elaboró las muestras como parte de su tesis doctoral y supervisó los experimentos en la Universidad de Marburgo. Allí, el grupo de Ulrich Höfer llevó a cabo los experimentos de fotoemisión de alta precisión y analizó los datos de medición.
El método experimental en el que se basa la investigación, la tomografía orbital de fotoemisión (POT, por sus siglas en inglés), también fue desarrollado en el grupo de investigación de Peter Puschnig y, en los últimos años, se ha ampliado hasta convertirse en una herramienta reconocida internacionalmente para investigar los estados electrónicos en materiales orgánicos, en colaboración con el equipo de Jülich dirigido por Stefan Tautz.
Proyecto de investigación de la UE #
Cita #
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El estudio Observing the Spatial and Temporal Evolution of Exciton Wave Functions in Organic Semiconductors (Observación de la evolución espacial y temporal de las funciones de onda de excitones en semiconductores orgánicos), fue publicado en Physical Review X. Autores: Marcel Theilen, Siegfried Kaidisch, Monja Stettner, Sarah Zajusch, Eric Fackelman, Alexa Adamkiewicz, Robert Wallauer, Andreas Windischbacher, Christian S. Kern, Michael G. Ramsey, François C. Bocquet, Serguei Soubatch, F. Stefan Tautz, Ulrich Höfer, & Peter Puschnig.
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El artículo Electrifying: Researchers film the first moments on the way from light to electricity fue publicado hoy en la sección de novedades del sitio web de la Universidad de Graz
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