科学家们已揭开暗激子神秘世界的面纱，暗激子是微小的能量载体，对太阳能和发光二极管（LED）的未来至关重要。

研究人员利用先进的显微镜技术，以前所未有的精确度绘制了它们的形成图，为尖端材料提高能效开辟了新途径。

追踪下一代技术中的隐形能量载体

如何提高太阳能电池等先进技术的效率？由哥廷根大学领导的一个研究团队已经利用一项开创性技术，在回答这一问题的道路上迈出了重要一步。

科学家首次能够在时间和空间上精确追踪暗激子（一种微小且难以捉摸的能量载体）的运动。这些以前无法探测到的粒子可能在太阳能电池、发光二极管和传感器的未来发展中发挥关键作用。研究团队的发现已发表在《自然·光子学》期刊上。

什么是暗激子，以及它们为什么重要？

当电子受到激发而留下一个“空穴”时，就会形成暗激子，两者构成了一对束缚态，能够携带能量但不发光——因此得名“暗”。一个有助于理解这种现象的方法是，可以想象一个气球（电子）飘走，留下一个空间（空穴），而两者通过一种名为库仑力的不可见力量相互束缚。

虽然这些粒子态很难检测，但它们在超薄的二维半导体材料中尤为重要。了解其行为可能为节能技术的重大进步铺平道路。

暗激子研究取得突破

在之前的一项出版物中，由哥廷根大学物理学院史蒂芬·马蒂亚斯 (Stefan Mathias) 教授带领的研究小组已经能够证实这些暗激子是在极短的时间内产生的，并且在量子力学理论的帮助下描述了它们的动力学。

在本次研究中，研究小组开发了一种名为“超快暗场动量显微镜”的新技术，并首次将其投入使用。这使他们能够揭示在由二硒化钨（WSe₂）和二硫化钼（MoS₂）组成的特殊材料中暗激子是如何形成的——这一过程的持续时间惊人地短，经480纳米（0.00000048米）的精确分辨率测量，仅为55飞秒（0.000000000000055秒）。

革新太阳能电池和材料科学

“该方法使我们能够非常精确地测量电荷载流子的动力学，”同样来自哥廷根大学物理学院的第一作者David Schmitt博士解释说。“研究结果使我们深入了解样品的特性如何影响电荷载流子的运动。这意味着，今后可以使用该技术专门提高太阳能电池的质量和效率等。”

马蒂亚斯（Mathias）研究小组初级研究小组组长马塞尔·罗伊策尔（Marcel Reutzel）博士补充道：“这意味着，这种技术不仅可以用于这些专门设计的系统，还可以用于新型材料的研究。”

参考文献：《暗激子的超快纳米成像》，作者：David Schmitt、Jan Philipp Bange、Wiebke Bennecke、Giuseppe Meneghini、AbdulAziz AlMutairi、Marco Merboldt、Jonas Pöhls、Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi、Sabine Steil、Daniel Steil、R. Thomas Weitz、Stephan Hofmann、Samuel Brem、G. S. Matthijs Jansen、Ermin Malic、Stefan Mathias和Marcel Reutzel，发表于2025年1月3日，《自然·光子学》杂志。DOI：10.1038/s41566-024-01568-y

本研究得到了由德国研究基金会 (DFG) 资助的哥廷根“原子尺度能量转换控制”和“实验数学”合作研究中心，以及马尔堡“内部界面结构与动力学”合作研究中心的支持。