Une quasiparticule appelée exciton, responsable du transfert d'énergie au sein de dispositifs tels que les cellules solaires, LED, et les circuits semi-conducteurs – est compris théoriquement depuis des décennies. Mais le mouvement des excitons dans les matériaux n'a jamais été directement observé.

Maintenant, les scientifiques du MIT et du City College de New York ont ​​réussi cet exploit, imager directement les mouvements des excitons. Cela pourrait permettre des recherches conduisant à des avancées significatives en électronique, ils disent, ainsi qu'une meilleure compréhension des processus naturels de transfert d'énergie, comme la photosynthèse.

La recherche est décrite cette semaine dans le journal Communication Nature , dans un article co-écrit par les post-doctorants du MIT Gleb Akselrod et Parag Deotare, les professeurs Vladimir Bulovic et Marc Baldo, et quatre autres.

"C'est la première observation directe des processus de diffusion des excitons, " Bulovic dit, "montrant que la structure cristalline peut affecter considérablement le processus de diffusion."

« Les excitons sont au cœur des appareils pertinents pour la technologie moderne, " Akselrod explique :les particules déterminent la façon dont l'énergie se déplace à l'échelle nanométrique. " L'efficacité des dispositifs tels que le photovoltaïque et les LED dépend de la façon dont les excitons se déplacent dans le matériau, " il ajoute.

Un exciton, qui voyage à travers la matière comme s'il s'agissait d'une particule, associe un électron, qui porte une charge négative, avec un endroit où un électron a été enlevé, connu comme un trou. Globalement, il a une charge neutre, mais il peut transporter de l'énergie. Par exemple, dans une cellule solaire, un photon entrant peut frapper un électron, le pousser à un niveau d'énergie plus élevé. Cette énergie plus élevée se propage à travers le matériau sous forme d'exciton :les particules elles-mêmes ne bougent pas, mais l'énergie stimulée se transmet de l'un à l'autre.

Alors qu'il était auparavant possible de déterminer à quelle vitesse, en moyenne, les excitons pourraient se déplacer entre deux points, « nous n'avions vraiment aucune information sur la façon dont ils sont arrivés là-bas, " dit Akselrod. De telles informations sont essentielles pour comprendre quels aspects de la structure d'un matériau, par exemple, le degré d'ordre ou de désordre moléculaire peut faciliter ou ralentir ce mouvement.

"Les gens ont toujours supposé un certain comportement des excitons, " dit Deotare. Maintenant, en utilisant cette nouvelle technique - qui combine la microscopie optique avec l'utilisation de composés organiques particuliers qui rendent visible l'énergie des excitons - "nous pouvons dire directement avec quel type de comportement les excitons se déplaçaient". Cette avancée a permis aux chercheurs d'observer lequel des deux types possibles de mouvement de « saut » avait réellement lieu.

"Cela nous permet de voir de nouvelles choses, " Deotare dit, permettant de démontrer que la structure nanométrique d'un matériau détermine la rapidité avec laquelle les excitons sont piégés lorsqu'ils le traversent.

Pour certaines applications, comme les LED, Deotare dit, il est souhaitable de maximiser ce piégeage, de sorte que l'énergie ne soit pas perdue par fuite ; pour d'autres usages, comme les cellules solaires, il est essentiel de minimiser le piégeage. La nouvelle technique devrait permettre aux chercheurs de déterminer quels facteurs sont les plus importants pour augmenter ou diminuer ce piégeage.

"Nous avons montré comment le flux d'énergie est entravé par le désordre, qui est la caractéristique déterminante de la plupart des matériaux pour les cellules solaires et les LED à faible coût, " dit Baldo.

Bien que ces expériences aient été réalisées à l'aide d'un matériau appelé tétracène, un archétype bien étudié d'un cristal moléculaire, les chercheurs affirment que la méthode devrait être applicable à presque tous les matériaux cristallins ou à couche mince. Ils s'attendent à ce qu'il soit largement adopté par les chercheurs universitaires et industriels.

"C'est une technique très simple, une fois que les gens l'auront appris, " Akselrod dit, "et l'équipement requis n'est pas si cher que ça."

La diffusion des excitons est également un mécanisme de base sous-jacent à la photosynthèse :les plantes absorbent l'énergie des photons, et cette énergie est transférée par des excitons vers des zones où elle peut être stockée sous forme chimique pour une utilisation ultérieure dans le soutien du métabolisme de la plante. La nouvelle méthode pourrait fournir un outil supplémentaire pour étudier certains aspects de ce processus, dit l'équipe.