يمكن لـ الإكسيتونات الهجينة الكمومية الجديدة أن تزيد من قوة تكنولوجيا الطاقة الشمسية

اكتشف فريق بحثي حالة كمية فريدة من نوعها عند التفاعل بين المواد العضوية والثنائية الأبعاد أشباه الموصلات.

يُنظر إلى التقنيات الأسرع والأكثر كفاءة والأكثر قدرة على التكيف على نطاق واسع على أنها ضرورية لمستقبل توليد الطاقة ومعالجة المعلومات. ومع ذلك، فإن تحقيق هذه الأهداف يتطلب طرقًا جديدة لفهم كيفية تصرف المواد عند أصغر المقاييس. وقد أعلن فريق بحث دولي من جامعات غوتنغن، وماربورغ، وجامعة هومبولت في برلين في ألمانيا، وجامعة غراتس في النمسا عن تقدم كبير في هذا المجال.

جمع الباحثون فئتين من المواد التي جذبت اهتمامًا كبيرًا في السنوات الأخيرة: أشباه الموصلات العضوية وأشباه الموصلات ثنائية الأبعاد. ومن خلال فحص كيفية استجابة هذا النظام المدمج للضوء، باستخدام التحليل الطيفي الإلكتروني الضوئي مع نظرية اضطراب العديد من الأجسام، تمكنوا من استكشاف العمليات فائقة السرعة عند الحدود بين المادتين. تلتقط هذه القياسات الأحداث التي تتكشف خلال جزء من كوادريليون من الثانية، مما يوفر رؤية مباشرة لنقل الطاقة المجهرية.

هذا المزيج الفريد من خصائص المواد يمكن أن يفتح الباب أمام تقنيات جديدة، بما في ذلك الخلايا الشمسية الأكثر كفاءة. ونشرت النتائج في فيزياء الطبيعة.

مشاهدة الإكسيتونات في الحركة

ولإجراء الدراسة، اعتمد الفريق على تقنية متخصصة تعرف باسم مجهر الزخم، وهو شكل متقدم من التحليل الطيفي الضوئي الإلكتروني. سمحت لهم هذه الطريقة بتتبع التغيرات في البنية الإلكترونية للمواد حيث يتفاعل الضوء معها في الوقت الفعلي.

يمكن النظر إلى البيانات على أنها “فيلم” يكشف كيف يتم إنشاء الإكسيتونات (جسيمات ميكانيكية كمومية تتكون من إلكترون مرتبط بثقب إلكترون) بواسطة الضوء ثم تتطور إلى أنواع مختلفة من حالات الإكسيتون.

من خلال تحديد التوقيعات الطيفية المميزة المرتبطة بكل نوع من أنواع الإكسيتون ومقارنتها مع النماذج النظرية التفصيلية لمشهد الإكسيتون، تمكن الباحثون من متابعة كيفية تحرك الطاقة عبر الواجهة العضوية ثنائية الأبعاد. أظهرت إحدى النتائج الرئيسية أنه عندما أ الفوتون يتم امتصاص الطاقة بواسطة المادة ثنائية الأبعاد، ويمكن نقل الطاقة إلى الطبقة العضوية في أقل من جزء من عشرة تريليون (10^-13) من الثانية.

يوضح البروفيسور ستيفان ماتياس، من جامعة غوتنغن: “إن مفتاح نقل الطاقة فائق السرعة هذا هو تكوين “الإكسيتونات الهجينة”، والتي وجدنا لها الآن توقيعًا تجريبيًا واضحًا”.

الإكسيتونات الهجينة

ولكن ما هي بالضبط “الإكسيتونات الهجينة”؟

يتم إنشاء الإكسيتونات عن طريق امتصاص الضوء في أشباه الموصلات، وبالتالي تلعب دورًا مركزيًا في الأجهزة الإلكترونية الضوئية مثل الخلايا الشمسية والثنائيات الباعثة للضوء.

اعتمادًا على المادة، تظهر الإكسيتونات خصائص مختلفة جدًا: في أشباه الموصلات العضوية، تكون الإكسيتونات عادةً غير متحركة – فهي عالقة جدًا في مكان واحد – في حين أن الإكسيتونات في أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد تكون متحركة للغاية، وتطفو بحرية في جميع أنحاء المادة.

ومع ذلك، عند السطح البيني لأشباه الموصلات العضوية وثنائية الأبعاد، قد يتم تهجين كل من خصائص المادة وخصائص الإكسيتونات، مما قد يؤدي إلى تكوين إكسيتونات هجينة جديدة.

مراقبة الإكسيتونات الهجينة مباشرة

وهذا هو بالضبط ما لاحظه الباحثون في واجهة المادة ثنائية الأبعاد WSe₂ وأشباه الموصلات العضوية PTCDA.

“تسمح لنا نتائجنا بفهم أفضل وتسخير العمليات الأساسية الكامنة وراء نقل الطاقة والشحن في الهياكل النانوية لأشباه الموصلات بشكل أفضل. وهذه خطوة حاسمة نحو تطوير خلايا شمسية فعالة ومكونات إلكترونية ضوئية فائقة السرعة وتطبيقات جديدة في تكنولوجيا الكم”، يوضح ويبكي بينيكي، جامعة غوتنغن والمؤلف الأول للدراسة، قبل أن يضيف: “بينما نحتفل بمرور 100 عام على تأسيسنا،^ذ وفي ذكرى تطور ميكانيكا الكم، فإن النتائج التي توصلنا إليها توضح بقوة أهميتها اليوم بالنسبة لتكنولوجيا المستقبل.

المرجع: “إكسيتونات Frenkel-Wannier الهجينة تسهل نقل الطاقة فائق السرعة في واجهة عضوية ثنائية الأبعاد” بقلم Wiebke Bennecke، Ignacio Gonzalez Oliva، Jan Philipp Bange، Paul Werner، David Schmitt، Marco Merboldt، Anna M. Seiler، Kenji Watanabe، Takashi Taniguchi، Daniel Steil، R. Thomas Weitz، Peter Puschnig، Claudia. دراكسل، جي إس ماتيس يانسن، مارسيل روتزل وستيفان ماتياس، 29 أكتوبر 2025، فيزياء الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41567-025-03075-5

تم دعم البحث من قبل مراكز البحوث التعاونية التابعة لمؤسسة الأبحاث الألمانية (DFG) “التحكم في تحويل الطاقة على المقاييس الذرية”، و”رياضيات التجريب”، و”دفع الإلكترونات بالبروتونات” في غوتنغن، وDFG CRC “الأنظمة الهجينة غير العضوية/العضوية للإلكترونيات الضوئية” في برلين، وصندوق العلوم النمساوي، ومجلس البحوث الأوروبي.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.