在單線態激子裂變過程中，吸收光後會產生一個單線態激子（藍色），然後在超快時間尺度上分裂成兩個三線態（紅色）。該團隊在並五苯單晶中跟蹤了伴隨這一過程的實時分子運動。
柏林弗裡茨哈伯研究所 (FHI)、MPSD 和 Julius-Maximilians-Universität Würzburg 的研究人員為開發更高效的太陽能電池和其他光技術的關鍵過程提供了重要的新見解，稱為單線態激子裂變. 他們設法追蹤了一種有前途的材料，即由並五苯分子組成的單晶，在單線態裂變發生時是如何實時移動的，這表明分子的集體運動可能是與這一過程相關的快速時間尺度的起源。
基於光的技術中的能量產生依賴於材料將光轉化為電能的能力，反之亦然。由於稱為單線態激子裂變 (SEF) 的過程，某些有機分子固體具有顯著提高太陽能到電能轉換效率的特殊能力。在這個過程中，兩個電子空穴對，稱為激子，由一個光量子（光子）的吸收產生。由於顯著的技術影響，大量的研究工作致力於瞭解 SEF 的真正運作方式。
SEF 過程的效率和速度取決於與分子在材料中自身排列方式相關的細微細節。然而，儘管對該主題進行了數百項研究，但還沒有辦法實時觀察分子如何準確地移動以促進 SEF 事件。瞭解這一難題對於最佳化 SEF 材料並進一步提高其效率至關重要。
在最近發表的一項研究中 ，來自 FHI、MPSD 和 Julius-Maximilians-Universität Würzburg 的研究人員使用一種名為“飛秒電子衍射。” 隨著 SEF 過程的展開，這種技術可以實時捕獲原子結構的快照。為了能夠在並五苯中捕捉這些快照，並五苯是一種僅包含小而輕原子的材料，測量必須達到卓越的穩定性和解析度。
“我們已經進行了這樣的實驗，他們可以處理這些材料，這對化學、生物學和材料科學來說非常令人興奮。這些測量表明，真正的集體分子運動伴隨著並五苯中的 SEF 過程。具體來說，已經確定並五苯分子的超快離域振盪，這有助於長距離有效的能量和電荷轉移，”來自 MPSD 的 Heinrich Schwoerer 說。
由於最先進的理論，該團隊能夠揭示初始激發事件中涉及的分子運動，以及這些運動如何觸發涉及晶體許多分子的更復雜的分子運動。“我們的理論分析可以解決非常複雜的分子運動。我們可以確定一個主導運動，它涉及分子相對於彼此滑動，並且只能透過將電子激發與其他更區域性的分子運動耦合來觸發，然後，反過來，耦合到在實驗中也觀察到的這個關鍵運動，”來自 MPSD 的 Mariana Rossi 說。
參與該專案的團隊觀察到的這些集體原子運動很可能是解釋 SEF 過程產生的兩個激子如何分離的關鍵，這是在太陽能裝置中收集電荷的先決條件。“簡而言之，我們的圖片是這些分子運動有效地中和了兩個激子產生後立即將它們保持在一起的力，為與裂變相關的超快時間尺度的起源提供了可能的解釋，從而促進了高效率FHI 的 Ralph Ernstorfer 小組的博士後研究員 Hélène Seiler 說。
根據維爾茨堡大學實驗物理 VI 主席塞巴斯蒂安·哈默 (Sebastian Hammer) 的說法，該團隊的工作將產生更廣泛的影響：“除了提供對 SEF 過程的重要見解之外，這項工作表明有可能揭示更復雜的原子運動。 ，功能性有機材料，由輕原子組成。”
