Phân hạch đơn xảy ra khi một phân tử hữu cơ hấp thụ một photon ánh sáng, sau đó chia năng lượng của ánh sáng đó thành hai – một hiệu ứng nhân đôi có tiềm năng cải thiện hiệu suất thu hoạch ánh sáng trong pin mặt trời, giả sử các electron được tạo ra có thể được thu hoạch đúng cách.
Nguồn: Hóa học tự nhiên (2024). DOI: 10.1038/s41557-024-01556-3
Một nhóm do Cornell dẫn đầu đã sử dụng phương pháp quang phổ laser cực nhanh để xem xét kỹ lưỡng một trạng thái trung gian quan trọng trong quá trình phân hạch, được gọi là trạng thái cặp ba, và phát hiện ra rằng trong một số phân tử nhất định, chất trung gian có thể được tạo ra trực tiếp bằng cách sử dụng một kỹ thuật cực kỳ đơn giản - trên thực tế, singlet phân hạch không có singlet.
“Loại thỏa thuận hai đối một này là một cách rất sâu sắc để làm cho pin mặt trời tốt hơn nhiều, nhưng kể từ những năm 60, người ta đã nghĩ rằng bạn luôn phải bắt đầu bằng việc kích thích một electron, và sau đó sẽ dễ dàng hơn nếu bạn có hai electron,” Andrew Musser, trợ lý giáo sư hóa học và sinh học hóa học tại Trường Cao đẳng Khoa học và Nghệ thuật, người đứng đầu nhóm nghiên cứu, cho biết.
“Chúng tôi có thể thấy trực tiếp trong dữ liệu thử nghiệm của mình dấu hiệu mà bạn không cần phải bắt đầu trong nhóm đơn, bạn có thể kích thích trực tiếp hai electron này.”
Bài báo của nhóm, “Sự kích thích quang mạch lạc của các trạng thái cặp ba vướng víu” đã được xuất bản vào ngày 19 tháng 6 trên tạp chí Nature Chemistry. Đồng tác giả của bài báo là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Juno Kim và nghiên cứu sinh tiến sĩ David Bain.
Nhóm nghiên cứu của Musser nghiên cứu sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất trong vật liệu hữu cơ, với mục tiêu cải thiện tính chất của chúng. Một trong những họ vật liệu như vậy là pentacene, hợp chất hydrocarbon bao gồm năm vòng benzen được nối với nhau.
Vài năm trước, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong nhóm, Woojae Kim, hiện là giáo sư tại Đại học Yonsei ở Seoul, Hàn Quốc, đã nhận thấy sự bất thường không thể giải thích được ở một trong các mẫu phân tử của họ. Có một sự tăng vọt yếu trong phổ hấp thụ của nó ở một vùng mà lẽ ra nó không thể hấp thụ một photon.
Musser nói: “Đây là loại chi tiết nhỏ mà bạn thường bỏ qua, nhưng tôi thật may mắn khi có một nhà khoa học tỉ mỉ như Woojae làm việc này. “Anh ấy nhận ra rằng có những bài báo được xuất bản có tính năng này, nhưng họ hoàn toàn bỏ qua nó trong những tài liệu khác.
“Đó là một khu vực đáng ngờ, nơi chúng tôi bắt đầu nghĩ rằng điều này có liên quan đến trạng thái cặp ba mà chúng tôi quan tâm, đối với sự phân hạch đơn. Chúng tôi luôn nghĩ nó là ‘tối’, không thể hấp thụ ánh sáng. Nhưng có lẽ Rốt cuộc thì trời cũng không tối đến thế."
Các nhà nghiên cứu đã tập hợp các dẫn xuất khác nhau của pentacene và đưa chúng vào các kỹ thuật quang phổ laser cực nhanh khác nhau để xem liệu họ có thể thiết lập một nguyên lý tổng quát cho dị thường hay không, mà cuối cùng họ quy cho trạng thái cặp ba.
Bain cho biết: “Chúng tôi phải thiết kế và xây dựng thiết bị của riêng mình, một máy quay video cực nhanh, để thực hiện các phép đo này”. “Để có thể nhìn thấy các quá trình rất nhanh xảy ra khi một photon bị hấp thụ, tôi phải học cách tạo ra các xung quang học ngắn hơn 10 femto giây. Nhưng sau đó chúng tôi có thể phát hiện rõ ràng khi nào trạng thái cặp ba được tạo ra trực tiếp và cuối cùng là đánh giá hành vi này ở một số phân tử khác nhau."
Thông thường, khi một photon bị hấp thụ vào một phân tử, một electron sẽ bị kích thích. Tuy nhiên, khi trạng thái cặp ba được tạo ra trực tiếp, hai electron sẽ bị kích thích đồng thời theo cùng một cách. Bằng cách xem phân tử nào tạo ra trạng thái cặp ba và phân tử nào không, các nhà nghiên cứu có thể rút ra một số quy tắc thiết kế cho phép hiện tượng này xảy ra.
Họ xác định rằng thành phần "ma thuật" là trạng thái cộng hưởng điện tích đối xứng, một đặc điểm của cơ học lượng tử trong đó các phân tử trao đổi electron bắt đầu tương tác mạnh hơn.
Juno Kim cho biết: “Đây là một ví dụ tuyệt vời về các đặc tính quang vật lý của vật liệu vượt xa sự hiểu biết của chúng ta về cơ học cổ điển, về cơ bản là bức tranh một electron”. “Khi chúng tôi tính đến xác suất cơ học lượng tử từ thành phần ma thuật này, hành vi mới hoàn toàn bất ngờ sẽ xuất hiện.”
Giờ đây, các nhà nghiên cứu có khả năng thiết kế hiệu ứng kích thích ảnh trực tiếp lên cặp ba trung gian từ trạng thái cơ bản. Những lợi ích vượt ra ngoài pin mặt trời. Do trạng thái spin của các electron bị vướng víu nên phản ứng phân hạch đơn có thể được sử dụng làm nền tảng cho khoa học thông tin lượng tử và điện toán lượng tử.
Musser nói: “Điều thú vị trong nghiên cứu này là chúng tôi đã phát hiện ra một cách, thông qua thiết kế phân tử, để phá vỡ các quy tắc lựa chọn giới hạn những gì chúng ta có thể làm trong quang vật lý vật liệu”.
"Và điều đó cho phép chúng tôi biến những vật liệu cũ hơn và những hiện tượng nổi tiếng này thành thứ gì đó mới mẻ cho các ứng dụng, bởi vì chúng tôi không phải lúc nào cũng phải tuân theo các quy tắc. Chúng trở nên giống những hướng dẫn hơn."
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
