Уникальный физический эффект показали в российской лаборатории

МОСКВА, 15 сен — РИА Новости. Впервые в мире продемонстрировать недавно предсказанный квантово-электродинамический эффект смогла международная группа ученых под руководством специалистов Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" (НИЯУ МИФИ). По словам авторов работы, полученные результаты позволят в несколько раз увеличить КПД солнечных батарей, органических светодиодов и другой фотовольтаической техники. Статья опубликована в журнале Chemical Science.

Экситон – квазичастица (вспомогательный объект квантовой теории), поведение которой описывает связанное состояние пары носителей противоположных зарядов, электрона и дырки. Понятие "экситон", как объяснили ученые НИЯУ МИФИ, позволяет с высокой точностью описывать, например, электрические свойства органических полупроводников при взаимодействии со светом.

Рождение или уничтожение экситона – то есть резонансное преобразование энергии в органическом полупроводнике – сопровождается, по словам ученых, соответственно поглощением или испусканием фотона (кванта электромагнитного излучения). В новой статье научного коллектива продемонстрирована возможность управления свойствами экситонных переходов с использованием эффекта "сильной связи".

"Эффект "сильной связи" состоит в образовании гибридного состояния энергии между возбуждением в веществе, которое описывают с помощью представления об экситоне, и локализованным электромагнитным возбуждением. Для создания таких условий используют особые резонаторы, в основе которых – пара зеркал, размещенных друг напротив друга на расстоянии порядка длины волны света", — рассказал ведущий ученый Лаборатории нано-биоинженерии (ЛНБИ) НИЯУ МИФИ, профессор Реймского университета Шампань-Арденны (Франция) Игорь Набиев.

Трансфер энергии без потерь

Один из эффектов в органических полупроводниках, для описания которых используется понятие "экситон", – ферстеровский резонансный перенос энергии (FRET), применяемый в медицинской технике. Он заключается в трансфере энергии без потерь между двумя экситонными состояниями в разных молекулах, находящихся на малом расстоянии друг от друга.

При стандартных условиях перенос происходит в определенном направлении, от молекулы-донора к молекуле-акцептору. Чтобы шире использовать потенциал этого явления в фотовольтаике, необходимо было экспериментально зафиксировать и изучить так называемый "эффект карнавала" (carnival effect), который заключается в управляемой смене направлений переноса энергии в режиме FRET между экситонами разных молекул.

Теоретически его предсказали около трех лет назад физики из США. Сотрудники Лаборатории нано-биоинженерии НИЯУ "МИФИ" стали первыми в мире, кому удалось его продемонстрировать.

Многократный рост КПД

Ближайший практический результат работы, по словам авторов, это возможность резко увеличить эффективность фотовольтаических устройств, преобразующих энергию света в электрическую. Реализуемо это за счет сбора энергии из тех экситонных состояний, которые традиционно оказывались каналами энергетических потерь, отметили ученые.

«

“Открывшаяся возможность сбора энергии из долгоживущих состояний за счет образования гибридных состояний экситон-фотон позволит многократно увеличить эффективность электролюминесцентных и фотовольтаических приборов”, – объяснил научный сотрудник ЛНБИ НИЯУ МИФИ, исследователь Университета Саутгемптона (Великобритания) Дмитрий Довженко.

Авторы исследования использовали разработанный ими ранее микрорезонатор для создания сильной связи между экситонами в паре органических флуорофоров и светом, локализованным в резонаторе. По словам ученых НИЯУ МИФИ, в данной системе можно искусственно управлять рядом параметров переноса энергии между донором и акцептором, вплоть до смены направления переноса.

Контроль с помощью света

Созданную в НИЯУ МИФИ систему можно, по словам ученых, использовать для точного дистанционного управления химическими реакциями, а также в развитии технологий оптически контролируемой визуализации в медицинской диагностике и других сферах.

«

“Кроме увеличения эффективности FRET, широко используемого в биомедицинской диагностике, "эффект карнавала" может быть использован для управления другими физико-химическими процессами – например, для многократного увеличения эффективности контролируемого внешним резонатором переноса заряда или синглетного деления экситонов”, — отметил Игорь Набиев.

В работе приняли участие специалисты из Московского физико-технического института, Сеченовского университета, Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова, университета Саутгемптона (Великобритания), Реймсского университета Шампань — Арденны (Франция), Международного Физического Центра Доностия (Испания) и Баскского фонда науки (Испания). Исследование проводилось при поддержке Российского научного фонда, грант № 21–79-30048.