Физики создали гибридные экситоны для сверхбыстрой передачи энергии

Международная команда учёных из Гёттингенского, Марбургского и Берлинского университета имени Гумбольдта (Германия), а также из Университета Граца (Австрия) совершила прорыв в физике, объединив два перспективных типа материалов — органические и двумерные полупроводники.

Исследователи изучили их совместную реакцию на свет с помощью фотоэлектронной спектроскопии и теории возмущений многих тел. Это позволило наблюдать и описывать фундаментальные микроскопические процессы, такие как перенос энергии на границе раздела 2D-органических материалов, с ультрабыстрым временным разрешением в одну квадриллионную долю секунды. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics.

Художественное представление волновой функции гибридного экситона: электрон показан красным, а распределение дырки — синим облаком. Автор: Лукас Кролл.

Как проводился эксперимент

В эксперименте учёные использовали усовершенствованную форму фотоэлектронной спектроскопии — микроскопию импульсов, чтобы визуализировать электронную структуру, управляемую светом. Получившийся «фильм» показывает, как экситоны (квантово-механические частицы, состоящие из электрона, связанного с электронной дыркой) сначала возбуждаются, а затем преобразуются в новые виды экситонов.

На основе уникального спектроскопического «отпечатка пальца» каждого вида экситона и с поддержкой теоретических расчётов исследователи смогли точно увидеть, как энергия поглощается и распределяется на границе раздела 2D-органических материалов. Они обнаружили, что поглощение фотона в двумерном материале может привести к переносу энергии в органический слой менее чем за одну десятитриллионную (10^-13) долю секунды.

Роль гибридных экситонов

«Ключом к этому ультрабыстрому переносу энергии является образование «гибридных экситонов», для которых мы теперь нашли характерный экспериментальный признак», — поясняет профессор Штефан Матиас из Гёттингенского университета.

Экситоны, создаваемые поглощением света в полупроводниках, играют центральную роль в оптоэлектронных устройствах, таких как солнечные элементы и светодиоды. В органических полупроводниках экситоны, как правило, малоподвижны, тогда как в двумерных полупроводниках они чрезвычайно подвижны.

На границе раздела органического и двумерного полупроводника свойства материалов и экситонов могут гибридизироваться, что потенциально приводит к образованию новых, гибридных экситонов. Именно это исследователи и наблюдали на границе раздела двумерного материала WSe₂ и органического полупроводника PTCDA.

Значение для будущих технологий

«Наши результаты позволяют лучше понять и эффективно использовать фундаментальные процессы, лежащие в основе переноса энергии и заряда в полупроводниковых наноструктурах. Это важный шаг на пути к созданию эффективных солнечных элементов, сверхбыстрых оптоэлектронных компонентов и новых применений в квантовых технологиях», — объясняет первый автор исследования Вибке Беннеке из Гёттингенского университета.

Учёные отмечают, что их открытие, сделанное в год 100-летия развития квантовой механики, наглядно демонстрирует её актуальность для технологий будущего.

Больше информации: Wiebke Bennecke et al, Hybrid Frenkel–Wannier excitons facilitate ultrafast energy transfer at a 2D–organic interface, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03075-5

Источник: University of Göttingen