Röntgenflitsen onthullen hoe elektron-gatparen trekken aan atomen in kwantumstippen

Wanneer licht zonnecellen raakt, worden zogenaamde elektronengatparen gemaakt: de elektronen zijn opgewonden en kunnen bijna vrij in het materiaal bewegen-die om elektriciteit te genereren. De elektronen laten ‘positieve gaten achter’, zogenaamde gaten, in het halfgeleidermateriaal. Ze kunnen ook door het materiaal bewegen. Zowel elektronen als gaten dragen een elektrische lading. Ze vervormen het omringende atoomrooster op weg door het materiaal enigszins.

Een internationaal onderzoeksteam van European XFEL heeft dit zeer zwakke effect nu voor het eerst kunnen waarnemen. “Met de hulp van extreem snelle flitsen van de röntgenalaser van de Europese XFEL, konden we deze nauwelijks merkbare verandering visualiseren”, legt Johan Bielecki uit, wetenschapper bij de enkele deeltjes biomoleculen en clusters/seriële femtosecond kristallografie (SPB/SFX) -instrument bij Europees XFEL, waar het experiment werd uitgevoerd. Volgens de onderzoekers kan dit een belangrijke stap zijn in de ontwikkeling van nieuwe materialen voor zonnecellen of bijvoorbeeld lichtemitterende diodes.

Het onderzoek is gepubliceerd in het dagboek ACS nano.

Een zogenaamde kwantumstip van cesium, lood en broom (cspbbr₃) bestudeerd door de wetenschappers was slechts een paar miljoenste van een millimeter groot. Een kwantumstip is een klein object waarvan de eigenschappen niet langer klassiek kunnen worden beschreven, maar alleen met behulp van de kwantumfysica.

Wanneer licht deze kwantumstip raakt, worden elektronengatparen gemaakt. Vanwege hun elektrische lading trekken zowel het elektron als het gat aan de atomen in het kristal – alsof twee mensen aan een net trokken en het vervormen. Op deze manier creëert het paar deeltjes een soort ‘deuk’ in het kristal. In de natuurkunde wordt deze staat een exciton-polaron genoemd.

De roostervervorming beïnvloedt slechts enkele atomen – maar het is beslissend voor de optische en elektronische eigenschappen van het materiaal. “Hoe beter we de vervorming begrijpen, hoe beter we kunnen proberen verbeterde materialen te ontwikkelen, bijvoorbeeld efficiëntere displays of krachtigere sensoren”, zegt Zhou Shen van het Max Planck Institute voor de structuur en dynamiek van materie en hoofdauteur van de studie.

Een bijzonder precieze methode is vereist om de roostervervorming te detecteren. De onderzoekers gebruikten de Europese Xfel in Schenefeld in de buurt van Hamburg-de grootste röntgenalaser ter wereld. Het straalt extreem korte en intense röntgenflitsen uit. Hiermee kunnen beelden worden vastgelegd binnen femtoseconden – met andere woorden, binnen een quadriljoende van een seconde. “Het is alsof je de beweging van atomen met een hogesnelheidscamera observeert”, zegt Bielecki.

De weg vrijmaken voor nieuwe technologie

De directe observatie van dit effect helpt om te begrijpen hoe licht en materie elkaar op het kleinste niveau beïnvloeden. Dit is cruciaal voor veel toekomstige technologieën: van zeer gevoelige lichtdetectoren en nieuwe displays tot componenten voor kwantumcomputers.

“Wat we hier laten zien, is een eerste stap in de richting van het specifiek beheersen van dergelijke effecten”, zegt Shen. “Dit kan ons in staat stellen om in de toekomst nog krachtiger en energieverbruikbare opto-elektronische componenten te ontwikkelen.”