Ученые впервые показали квантовый "эффект карнавала"

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.