Desde J.J. A descoberta do elétron por Thompson em 1897, os cientistas tentaram descrever o movimento da partícula subatômica usando uma variedade de meios diferentes. Os elétrons são muito pequenos e rápidos para serem vistos, mesmo com a ajuda de um microscópio de luz. Isso tornou a medição do movimento de um elétron muito difícil no século passado. Contudo, nova pesquisa da Unidade de Espectroscopia de Femtosegundo do Instituto de Ciência e Tecnologia da Universidade de Pós-Graduação (OIST) de Okinawa, publicado em Nature Nanotechnology , tornou esse processo muito mais fácil.

"Eu queria ver os elétrons no material. Eu queria ver os elétrons se movendo, não apenas para explicar seu movimento medindo uma mudança de transmissão de luz e reflexão no material, "disse o Prof. Keshav Dani, líder da Unidade. O fator limitante para estudar o movimento do elétron usando técnicas anteriores era que a instrumentação poderia fornecer resolução de tempo excelente ou resolução espacial, mas não ambos. Dr. Michael Man, um pós-doutorado na Unidade do Prof. Dani, combinou as técnicas de pulsos de luz ultravioleta e microscopia eletrônica para ver os elétrons se movendo dentro de uma célula solar.

Se você iluminar um material, a energia da luz pode ser absorvida pelos elétrons e movê-los de um estado de baixa energia para um superior. Se o pulso de luz que você brilha no material é muito, muito curto, alguns milionésimos de bilionésimo de segundo - isto é, alguns segundos femto - cria uma mudança muito rápida no material. Contudo, esta mudança não dura muito, à medida que o material volta ao seu estado original em uma escala de tempo muito rápida. Para um dispositivo funcionar, como em uma célula solar, temos que extrair energia do material enquanto ele ainda está no estado de alta energia. Os cientistas querem estudar como os materiais mudam de estado e perdem energia. "Na realidade, você não pode observar esses elétrons mudando de estado em uma escala de tempo tão rápida. Então, o que você faz é medir a mudança de refletividade do material, "Dr. Man explicou. Para entender como o material muda quando exposto à luz, pesquisadores expõem o material a um muito curto, mas intenso, pulso de luz que causa a mudança, e então continuar a medir a mudança introduzida pelo primeiro pulso, sondando o material com pulsos de luz muito mais fracos subsequentes em diferentes tempos de atraso após o primeiro pulso.

Como o primeiro feixe discreto de energia sem massa, ou fóton, muda o material, aquecendo-o rapidamente, por exemplo, a reflexão das mudanças subsequentes do fóton. Conforme o material esfria, o reflexo volta ao original. Essas diferenças informam aos cientistas a dinâmica do fenômeno observado. "O problema é que você não observa diretamente a dinâmica do elétron que causa as mudanças:você mede a reflexão e tenta encontrar uma explicação com base na interpretação de seus dados, "Prof. Dani disse." Você cria um modelo que explica os resultados de seu experimento. Mas você realmente não vê o que está acontecendo. "

A equipe do Prof. Dani encontrou uma maneira de visualizar esse fenômeno em um dispositivo semicondutor. "Quando o pulso atinge o material, tira alguns elétrons, e usamos um microscópio eletrônico que forma uma imagem de onde os elétrons deslocados vieram, "Dr. Man disse." Se você fizer isso muitas vezes, para muitos fótons, você pode construir lentamente uma imagem da distribuição dos elétrons no material. Então você excita a amostra, você espera um certo tempo, e então você sonda sua amostra e repete este processo uma e outra vez, mantendo o atraso entre o primeiro pulso de fótons e os fótons de sondagem sempre o mesmo. "Como resultado final, você obtém uma imagem da localização da maioria dos elétrons no material em um intervalo de tempo específico.

Então, os pesquisadores mudam o intervalo de tempo entre os dois pulsos - o fotoexcitante e o de sondagem - e criam outra imagem da localização dos elétrons. Depois que uma imagem é criada, o pulso de sondagem é ainda mais atrasado, criando uma série de imagens que descrevem as posições dos elétrons em tempos subsequentes após a fotoexcitação. "Quando você junta todas essas imagens, você finalmente tem um vídeo, "Disse o professor Dani." Um vídeo de como os elétrons estão se movendo no material após a excitação da foto:você vê os elétrons ficando excitados, e depois voltando ao estado original. "

“Fizemos um vídeo de um processo muito fundamental:pela primeira vez, não estamos imaginando o que está acontecendo dentro de uma célula solar, estamos realmente vendo isso. Agora podemos descrever o que vemos neste vídeo de lapso de tempo, não precisamos mais interpretar dados e imaginar o que pode ter acontecido dentro de um material. Esta é uma nova porta para a compreensão do movimento dos elétrons em materiais semicondutores. "Prof. Dani efundido. Esta pesquisa fornece uma nova visão sobre o movimento dos elétrons que podem mudar a forma como as células solares e dispositivos semicondutores são construídos. Esta nova visão traz o campo da tecnologia um passo mais perto de construir dispositivos eletrônicos melhores e mais eficientes.