Depuis que J.J. La découverte de l'électron par Thompson en 1897, les scientifiques ont tenté de décrire le mouvement de la particule subatomique en utilisant une variété de moyens différents. Les électrons sont bien trop petits et rapides pour être vus, même à l'aide d'un microscope optique. Cela a rendu la mesure du mouvement d'un électron très difficile au cours du siècle dernier. Cependant, de nouvelles recherches de l'unité de spectroscopie femtoseconde de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), Publié dans Nature Nanotechnologie , a rendu ce processus beaucoup plus facile.

"Je voulais voir les électrons dans la matière. Je voulais voir les électrons bouger, non seulement pour expliquer leur mouvement en mesurant un changement de transmission et de réflexion de la lumière dans le matériau, " a déclaré le professeur Keshav Dani, chef d'unité. Le facteur limitant à l'étude du mouvement des électrons à l'aide de techniques antérieures était que l'instrumentation pouvait fournir une excellente résolution temporelle ou spatiale, mais pas les deux. Dr Michael Man, un stagiaire postdoctoral dans l'Unité du Pr Dani, combiné les techniques d'impulsions de lumière UV et de microscopie électronique afin de voir les électrons se déplacer à l'intérieur d'une cellule solaire.

Si vous éclairez un matériau, l'énergie lumineuse peut être absorbée par les électrons et les faire passer d'un état de basse énergie à un état plus élevé. Si l'impulsion lumineuse que vous éclairez sur le matériau est très forte, très court, quelques millionièmes de milliardième de seconde - c'est-à-dire quelques femto secondes - cela crée un changement très rapide de la matière. Cependant, ce changement ne dure pas longtemps, car le matériau revient à son état d'origine sur une échelle de temps très rapide. Pour qu'un appareil fonctionne, comme dans une cellule solaire, nous devons extraire de l'énergie du matériau alors qu'il est encore à l'état de haute énergie. Les scientifiques veulent étudier comment les matériaux changent d'état et perdent de l'énergie. "En réalité, vous ne pouvez pas regarder ces électrons changer d'état sur une échelle de temps aussi rapide. Donc, ce que vous faites est de mesurer le changement de réflectivité du matériau, " a expliqué le Dr Man. Pour comprendre comment le matériau change lorsqu'il est exposé à la lumière, les chercheurs exposent le matériel à une très courte, mais intense, impulsion de lumière qui provoque le changement, puis continuer à mesurer le changement introduit par la première impulsion en sondant le matériau avec des impulsions lumineuses ultérieures beaucoup plus faibles à différents temps de retard après la première impulsion.

En tant que premier faisceau discret d'énergie sans masse, ou photon, change la matière, en le chauffant rapidement par exemple, la réflexion du photon ultérieur change. Au fur et à mesure que le matériau refroidit, le reflet remonte à l'original. Ces différences renseignent les scientifiques sur la dynamique du phénomène observé. "Le problème est que vous n'observez pas réellement directement la dynamique des électrons qui provoque les changements :vous mesurez la réflexion puis vous essayez de trouver une explication basée sur l'interprétation de vos données, " a déclaré le professeur Dani. " Vous créez un modèle qui explique les résultats de votre expérience. Mais vous ne voyez pas vraiment ce qui se passe."

L'équipe du professeur Dani a trouvé un moyen de visualiser ce phénomène dans un dispositif semi-conducteur. "Quand le pouls frappe le matériau, ça enlève des électrons, et nous utilisons un microscope électronique qui forme une image de l'origine des électrons déplacés, " dit le Dr Man. " Si vous faites cela plusieurs fois, pour de nombreux photons, vous pouvez lentement construire une image de la distribution des électrons dans le matériau. Alors vous photo-excitez l'échantillon, tu attends un certain temps, et puis vous sondez votre échantillon et vous répétez ce processus encore et encore, en gardant toujours le même délai entre la première impulsion de photons et les photons de sondage. vous obtenez une image de l'emplacement de la plupart des électrons dans le matériau à un délai spécifique.

Puis, les chercheurs modifient le délai entre les deux impulsions - la photo-excitatrice et la sonde - et ils créent une autre image de l'emplacement des électrons. Une fois l'image créée, l'impulsion de sondage est encore retardée, créer une série d'images qui décrivent les positions des électrons dans les temps ultérieurs après la photo-excitation. « Quand vous assemblez toutes ces images, tu as enfin une vidéo, " a déclaré le professeur Dani. " Une vidéo de la façon dont les électrons se déplacent dans le matériau après une photo-excitation :vous voyez les électrons s'exciter, puis revenir à leur état d'origine."

"Nous avons réalisé une vidéo d'un processus très fondamental :pour la première fois, nous n'imaginons pas ce qui se passe à l'intérieur d'une cellule solaire, nous le voyons réellement. Nous pouvons maintenant décrire ce que nous voyons dans cette vidéo en accéléré, nous n'avons plus à interpréter les données et à imaginer ce qui aurait pu se passer à l'intérieur d'un matériau. C'est une nouvelle porte pour comprendre le mouvement des électrons dans les matériaux semi-conducteurs." Prof. Dani s'est épanché. Cette recherche fournit un nouvel aperçu du mouvement des électrons qui pourrait potentiellement changer la façon dont les cellules solaires et les dispositifs semi-conducteurs sont construits. Cette nouvelle idée apporte le domaine de la technologie fait un pas de plus vers la construction d'appareils électroniques meilleurs et plus efficaces.