Les scientifiques du Laboratoire national de Los Alamos ont synthétisé des points quantiques dopés magnétiquement qui capturent l'énergie cinétique des électrons créés par la lumière ultraviolette avant qu'elle ne soit gaspillée sous forme de chaleur.

"Cette découverte peut potentiellement permettre de nouvelles, cellules solaires à haut rendement, détecteurs de lumière, photocathodes et réactions chimiques induites par la lumière, " dit Victor Klimov, chercheur principal sur le projet de point quantique du Laboratoire.

Dans les cellules solaires standard, une grande quantité d'énergie solaire est gaspillée sous forme de chaleur. Ce gaspillage est dû au manque d'approches efficaces pour capturer l'énergie cinétique des électrons « chauds » générés par les photons dans la partie verte à ultraviolette du spectre lumineux du soleil. Le problème est que les électrons chauds perdent leur énergie très rapidement en raison des interactions avec le réseau cristallin dont sont faits les appareils, entraînant des vibrations appelées phonons. Ce processus se produit généralement en quelques picosecondes (billions de seconde).

Les efforts précédents pour capturer l'énergie des porteurs chauds ont exploité le transfert d'énergie cinétique de l'électron chaud énergétique à un immobile, électron de faible énergie l'excitant jusqu'à un état conducteur de courant. Cet effet, connu sous le nom de multiplication de porteurs, double le nombre d'électrons contribuant au photocourant qui peut être utilisé pour augmenter les performances des cellules solaires. Dans la plupart des matériaux conventionnels, cependant, les pertes d'énergie aux phonons dépassent les gains d'énergie de la multiplication des porteurs.

Dans leur étude publiée aujourd'hui dans Nature Nanotechnologie , les chercheurs démontrent que l'incorporation d'ions magnétiques dans des points quantiques peut grandement améliorer l'utilité, interactions productrices d'énergie de sorte qu'elles deviennent plus rapides que la diffusion inutile des phonons.

Pour mettre en œuvre ces idées, les chercheurs ont préparé des points quantiques dopés au manganèse à base de séléniure de cadmium. "Le photon absorbé par la boîte quantique de séléniure de cadmium crée une paire électron-trou, ou un exciton, " a déclaré Klimov." Cet exciton est rapidement piégé par le dopant créant un état excité qui stocke l'énergie un peu comme un ressort comprimé. Lorsque le deuxième photon est absorbé par la boîte quantique, l'énergie stockée est libérée et transférée à l'exciton nouvellement créé, le faisant passer à un état d'énergie plus élevée. La libération d'énergie par l'ion manganèse s'accompagne du basculement de son moment magnétique, connu sous le nom de rotation. Par conséquent, ce processus est appelé transfert d'énergie Auger à échange de spin.

Une observation intrigante des scientifiques du LANL était l'échelle de temps extrêmement courte des interactions Auger d'échange de spin, environ un dixième de picoseconde. A leur grande surprise, ces interactions étaient plus rapides que les émissions de phonons, qui étaient généralement considérés comme le processus le plus rapide dans les matériaux semi-conducteurs. Pour prouver que le nouvel effet pourrait battre le refroidissement assisté par phonons, Des chercheurs de Los Alamos ont démontré que des points quantiques correctement dopés magnétiquement leur permettaient d'extraire un électron chaud créé par un photon ultraviolet avant qu'il ne perde son énergie en chauffant le réseau cristallin.

Ces découvertes qui changent de paradigme ouvrent des opportunités passionnantes pour exploiter les processus Auger à échange de spins dans des schémas avancés pour augmenter les performances des cellules solaires ou conduire des réactions photochimiques inhabituelles. Des opportunités intéressantes sont également envisagées dans des domaines de haute sensibilité, détection de la lumière à grande vitesse et nouveaux types de sources d'électrons entraînées par la lumière.