بصمات مغناطيسية في التيار الضوئي

نجحت رؤية استثنائية في المناطق الداخلية من المواد العضوية

رسم لجزيء الفوليرين المدروس (C60) © Hahn-Meitner-Institut Berlin
قراءة بصوت عال

لقد حقق العلماء نظرة غير عادية على الأجزاء الداخلية من المواد العضوية. كان الفيزيائيون أول من لاحظ توقيعًا كمّيًا للمراكز النشطة مغناطيسيًا في طبقة جزيئية في التيار الضوئي. هذا يفتح إمكانات جديدة سواء لقراءة أو قراءة المعلومات الكمومية في أجهزة الكمبيوتر الكمومية الدورانية الجزيئية وكذلك لتحسين فهم الخلايا الكهروضوئية العضوية ، وفقا للباحثين في العدد الحالي من مجلة Physical Review Letters.

المواد العضوية غير مكلفة لصنع وبالتالي بالنسبة للعديد من التطبيقات في المحادثة. في الثنائيات العضوية التي ينبعث منها الضوء (OLEDs) ، يمكنها توليد الكهرباء من الكهرباء بكفاءة عالية. في الخلايا الشمسية ، من ناحية أخرى ، تمتص أشعة الشمس لتحويلها إلى كهرباء. أكبر مشكلة للاستخدام التجاري الواسع للمواد العضوية هي الحاجة إلى تحسين الموصلية والاستقرار. تعتمد هذه الخصائص على العمليات المعقدة داخل المواد ، بما في ذلك حالات الدوران للإلكترونات.

يشير سبين إلى زخم الإلكترونات - التي تشبه حركة الجيروسكوب - الذي يولد ثنائي القطب المغناطيسي. تدور ظاهرة من العالم الكمومي ، في مجال مغناطيسي خارجي يمكن أن يستغرق فقط حالتين ("أعلى" - يتحول الدوار إلى اليسار و "لأسفل" - يتحول الدوار في اتجاه عقارب الساعة). لذلك ، يمكن استخدامه أيضًا كحامل معلومات لأجهزة الكمبيوتر الكمومية ("أعلى" = 0 و "أسفل" = 1).

صعبة: عندما تدور تتأرجح في انسجام تام

طريقة القياس: تشير الأسهم السوداء الصغيرة إلى دوران الإلكترونات ، التي تحاذي نفسها في المجال المغناطيسي. يتم إشعاع أفران الميكروويف الخفيفة والنابضة لتبديل الدورات في وضع شائع. على مرسمة الذبذبات ، يمكنك رؤية الإشارة (انخفاض التيار بعد نبضات الميكروويف). © هان ميتنر معهد برلين

أصبح الباحثون حول Wolfgang Harneit و Konstantinos Fostiropoulos و Klaus Lips وكذلك Christoph Böhme من معهد هان-ميتنر في برلين (HMI) وجامعة Free Berlin (FU) في برلين الآن لأول مرة متماسكين ، وهذا في الوضع الشائع الذي يتأرجح فيه الدول المغزلية في المواد العضوية في درجة حرارة الغرفة الكشف كهربائيا. تقليديا ، يتم قياس حالات الدوران عن طريق امتصاص إشعاع الميكروويف. تعتمد الطريقة على الرنين المغزلي للإلكترون (ESR) ، إذا جاز التعبير عن فرع معروف من التصوير المقطعي بالرنين المغناطيسي الطبي (MRI). على النقيض من التصوير بالرنين المغناطيسي ، فإن هذا يتطلب "فقط" 100 مليار حالة مغناطيسية. لا تحتوي الأفلام العضوية الفوليرين (جزيئات C60) ، والتي يتم تطبيقها على حامل الهاتف بحجم زر الهاتف الخلوي في طبقات بسماكة بضعة نانومترات ، على جزء بسيط فقط من هذه الكمية.

لقد طبق الباحثون في برلين خدعة. لقد نجحت في تعديل حالة الدوران لعدد قليل فقط من الإلكترونات في الوضع الشائع بمساعدة ESR ولاكتشاف هذا التغيير كتذبذبات في تيار العينة. هذه الطريقة حساسة لدرجة أن 1000 حالة تدور كافية للكشف. هذا يتوافق مع زيادة حساسية ESR بأكثر من سبعة أوامر من حيث الحجم. عرض

يقول ليبس: "لكن الأمر المذهل في اكتشافنا هو أن الكم الهش ينص على أن المواد الهشة التي تعيش عادة في المواد غير العضوية فقط عند درجات حرارة أعلى من الصفر المطلق تترك بصماتها المغناطيسية في التيار حتى عند درجة حرارة الغرفة. هذا يفتح إمكانيات مثيرة في البحوث الأساسية وكذلك للتطبيقات الملموسة. "هذه النتيجة مهمة أيضًا لأن لديها طريقة لقراءة المعلومات الكمومية وقراءتها كهربائيًا. يقول هارنيت: "يعتبر تحويل حالات الدوران الكمومية إلى إشارة كهربائية بمثابة تقدم رئيسي في إنتاج أجهزة الكم الكمومية الجزيئية".

تنشيط كرة القدم وترحيل الإلكترونات

أجرى العلماء تحقيقاتهم على جزيئات خلايا الوقود C60. هذه معروفة بجذب الإلكترونات إلى حد ما. في HMI ، يتم استخدام الفوليرين في الخلايا الشمسية العضوية للاستيلاء على الإلكترونات من مادة عضوية أخرى ، وهي جزيء الفثالوسيانين ، وهو جزيء الصبغ. في الفثالوسيانين ، يحدث الإثارة الناجم عن الصورة الفعلية ، أي أن الضوء يولد إلكترونًا سالب الشحن على جزيء الصبغة بالإضافة إلى "ثقب" موجب الشحنة. ومع ذلك ، بسبب شحنة عكسية ، لا يمكن للإلكترون الانفصال عن نظيره ، "ثقب". معًا ، ينتقل زوج الجسيمات المولدة بالضوء ، والذي يدعى exciton ، من جزيء إلى جزيء داخل الطبقة العضوية.

حتى يتدفق التيار في الخلية الشمسية ، يجب فصل الزوج حتى يتمكن الإلكترون من التدفق إلى القطب الموجب للإلكترود و "الفتحة" إلى القطب السالب. لتسريع هذا الفصل بشكل فعال ، يتم استخدام الفوليرين لأنها تجذب الإلكترونات. في طريقهم للخروج من الخلية الشمسية ، يمكن للإلكترونات أن تضرب الثقوب التي يفصلونها. يحدث هذا بشكل تفضيلي على العيوب المادية. ينتج عن ذلك حالات دوران طويلة الأمد تم تقصير عمرها بشكل متزامن من قِبل الباحثين في برلين بمساعدة ESR ، وهو ما ينعكس على أنه التذبذب في التيار الضوئي. يقول كلاوس ليبس: "لقد تمكنا من إثبات هذا ، أن التيار الكهروضوئي يعتمد بشكل مباشر على حالات الدوران حتى في درجة حرارة الغرفة."

(idw - معهد هان-ميتنر برلين ، 23.07.2007 - DLO)