Что общего между физиками и юристами? И те, и другие в своей работе полагаются на законы. Вот только если нарушение законов государства может иметь не самые радостные последствия, то для физиков поиск объектов, которые ведут себя не самым «законным» образом, может обернуться, как минимум, новым открытием. Или даже Нобелевской премией.
Одним из главных нарушителей спокойствия научного сообщества за последнее время стал графен – слой атомов углерода толщиной всего в один атом. Повышенный интерес к этому материалу, который можно получить из графита, кроется в его уникальных свойствах. За изучение графена два наших соотечественника, Андрей Гейм и Константин Новосёлов в 2010 году были удостоены Нобелевской премии по физике. Какие же нормы физического мира нарушил графен на этот раз?
Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны впервые смогли зафиксировать тот факт, что графен преобразует один фотон в несколько электронов. Это открытие может серьезно улучшить производительность солнечных батарей. Почему так важно количество электронов, приходящееся на один фотон? В обычных кремниевых солнечных батареях падающий свет преобразуется в электричество. Происходит это за счет того, что фотоны света, попадая в кремниевую пластину, способны выбивать из атомов кремния свободные электроны, которые потом преобразуются в электрический ток. Однако на этот процесс наложен ряд ограничений.
Во-первых, падающие фотоны должны обладать достаточной энергией, чтобы оторвать от атомов электроны. Если энергии будет слишком мало, то электрон так и останется связанный с атомом. С другой стороны, плохо, если фотоны будут обладать слишком большой энергией. Тогда весь излишек, оставшийся после отрыва электрона от атома, будет превращаться в тепло – солнечная батарея просто нагреется. И еще одно правило – один фотон может выбить не больше одного электрона. Все это делает КПД солнечных батарей весьма низким – не больше 30%, то есть в лучшем случае батарея может преобразовать в электричество только треть солнечной энергии. На экваторе, где солнце светит круглый год, такое можно себе позволить, но в средней полосе, где из двенадцати месяцев от силы лишь пара солнечных, ни о какой эффективности солнечной энергетики говорить не приходится. Если материал солнечной батареи сможет преобразовывать падающий свет в большее число электронов, а графену это, судя по всему, под силу, тогда и экологичная солнечная энергия будет доступна не только в южных, но и в средних широтах.
Отдельного рассказа стоит то, каким образом физики из Лозанны смогли посчитать, сколько же электронов выбивает фотон из графена. Такие процессы протекают за очень короткое время, и зафиксировать их – сложнейшая задача. Исследователи разработали новый метод, который назвали «фотоэмиссионная спектроскопия углового и временного разрешения».
Как проходил эксперимент? Образец графена поместили в камеру, из которой был откачан весь воздух до состояния ультраглубокого вакуума. Затем графен освещали лазерной вспышкой длительностью всего несколько фемтосекунд. Она переводит электроны в возбужденные состояния, а потом графен подсвечивают вторым лазером, который фиксирует энергии возбужденных электронов. Варьируя задержку второй лазерной вспышки, можно получать снимки электронной динамики после поглощения света практически в реальном времени. Они-то и показали, что один фотон выбивает сразу несколько электронов.
Для того, чтобы усилить обнаруженный эффект, исследователи ввели в двумерную структуру графена примесные атомы – такой процесс называется допированием. Как оказалось, допирование существенно изменяет свойства графена, и можно подобрать такой состав и количество примесей, чтобы число сгенерированных электронов был максимальным. Если открытый эффект получится довести до практического применения, то станет возможным производство крайне эффективных солнечных батарей на основе графена.
