Uma nova maneira de extrair informações quantitativas de experimentos de última geração com uma única molécula foi desenvolvida por físicos da Universidade de Bath. Usando esta informação quantitativa, os pesquisadores serão capazes de sondar a física ultrarrápida dos elétrons "quentes" nas superfícies - a mesma física que governa e limita a eficácia das células solares baseadas em silício.

As células solares funcionam convertendo luz em elétrons , cuja energia pode ser coletada e colhida. Uma célula solar quente é um novo tipo de célula que converte luz solar em eletricidade de forma mais eficiente do que as células solares convencionais . No entanto, a eficiência desse processo é limitada pela criação de elétrons energéticos ou "quentes" que têm vida extremamente curta e perdem a maior parte de sua energia para o ambiente nos primeiros femtossegundos de sua criação (1 femtosegundo é igual a 1/1.000.000.000.000.000 de um segundo).

O tempo de vida ultracurto dos elétrons quentes e a curta distância correspondente que eles podem percorrer significam que sondar e influenciar as propriedades dos elétrons quentes é um desafio experimental. Até o momento, existem algumas técnicas capazes de contornar esses desafios, mas nenhuma provou ser capaz de resolução espacial - ou seja, elas não podem nos dizer sobre a conexão crucial entre a estrutura atômica de um material e a dinâmica dos elétrons quentes dentro desse material. .

Os pesquisadores do Departamento de Física de Bath estudaram elétrons quentes usando um microscópio de tunelamento (STM). Este dispositivo é projetado para a imagem de átomos e moléculas individuais . Ao injetar uma pequena corrente elétrica (um feixe de elétrons quentes) em uma única molécula-alvo, o dispositivo também pode manipular um alvo – movendo-o, girando-o, quebrando uma ligação química ou fazendo uma nova ligação química.

A manipulação atômica é o limite máximo da nanociência e da química de uma única molécula. Estas são as áreas da física que usam a matéria em escala atômica ou molecular para estudar as propriedades elétricas, ópticas, térmicas e mecânicas dos materiais. Até o momento, a manipulação atômica foi usada para desenvolver (entre outras coisas) máquinas moleculares (onde, por exemplo, uma molécula gira quando uma corrente de elétrons é aplicada) e emissores de luz de molécula única (os menores diodos emissores de luz orgânicos possíveis).

Os cientistas de Bath, no entanto, viraram as experiências tradicionais de cabeça para baixo. Em vez de usar um feixe de elétrons para medir e controlar o que a molécula-alvo faz, eles usaram as moléculas para medir o que os próprios elétrons estão fazendo.

"Usamos reações de moléculas individuais como uma sonda para o destino dos elétrons quentes nos primeiros femtossegundos de sua vida - antes que eles percam sua energia para o ambiente", explicou a Dra. Kristina Rusimova, do Departamento de Física, que liderou a pesquisa.

Este trabalho abre uma nova rota para medir quantitativamente e com precisão os processos de elétrons quentes e controlá-los. Com o tempo, espera-se que alimente o novo campo de células solares quentes, onde o objetivo é capturar a energia de um elétron criado em uma célula fotovoltaica antes que ela perca energia para o ambiente nos primeiros femtossegundos de sua existência.

O estudo foi publicado na Nanoscale Advances .

O Dr. Peter Sloan, o pesquisador de Física de Bath que projetou o experimento e construiu o modelo no qual esta pesquisa se baseou, disse: "A nova compreensão dos processos que sustentam o destino das cargas elementares está entre as contribuições mais importantes para a nanociência. Experimentos com nanossondas moleculares abrir novas e inexploradas maneiras de observar o comportamento dos portadores de carga quente em suas escalas de comprimento atômico relevantes."

O Dr. Rusimova acrescentou: "Através de experimentos de última geração, rigorosos e extensos, identificamos o mecanismo físico responsável não apenas pelo transporte de carga através de uma superfície de silício, mas também pela etapa final de manipulação, em que uma molécula excitada por um elétron é ejetado da superfície do silício, mas crucialmente somente depois que o elétron quente já perdeu seu excesso de energia térmica. Pela primeira vez, vinculamos a dependência energética dessa etapa de manipulação à estrutura de banda eletrônica da superfície subjacente."

Curiosamente, este também é um ponto de partida para a concepção de outros materiais mais complexos, onde deve ser possível controlar o transporte de elétrons quentes, por exemplo, criando defeitos para alterar deliberadamente a paisagem energética do material ou regulando a temperatura do material.