解鎖暗激子秘密世界，開啟下一代能源新紀元

科學家們已經解開了暗激子的秘密世界。暗激子是微小的能量載體，對於太陽能和發光二極體（LED）的未來發展至關重要。運用先進的顯微技術，研究人員史無前例地詳細描繪了它們的形成過程，為提升先進材料的能源效率開啟了新的大門。

像太陽能電池這樣的先進技術，要如何提高效率呢？哥廷根大學領導的一個研究團隊，透過一項突破性的技術，在回答這個問題上邁出了重要一步。科學家們首次能夠在時間和空間上精確追蹤暗激子——這些微小且難以捉摸的能量載體——的運動。這些先前無法探測到的粒子，可能在太陽能電池、LED和感測器的未來發展中扮演關鍵角色。該團隊的研究成果發表在《自然光子學》期刊上。

暗激子是在電子被激發並留下一個空穴時形成的，從而產生一個攜帶能量但不發光的束縛對，這就是「暗」的由來。一個形象的比喻是，想像一個氣球（電子）飄走了，留下一個空間（空穴），而它們之間由一種稱為庫侖相互作用的無形力量連線著。

雖然這些粒子狀態難以探測，但在超薄的二維半導體材料中，它們尤其重要。瞭解它們的行為，可能為節能技術的重大進步鋪平道路。

在此之前，哥廷根大學物理學院的斯特凡·馬蒂亞斯教授領導的研究小組，就已經能夠展示這些暗激子是如何在難以想像的短時間內產生的，並藉助量子力學理論描述了它們的動態。

在目前的這項研究中，團隊開發了一種名為「超快暗場動量顯微術」的新技術，並首次加以應用。這使他們能夠展示暗激子是如何在一種由二硒化鎢（WSe₂）和二硫化鉬（MoS₂）製成的特殊材料中形成的，而且整個過程僅需55飛秒（0.000000000000055秒），測量的精確解析度達到480奈米（0.00000048米）。

論文第一作者、同樣來自哥廷根大學物理學院的大衛·施密特博士解釋說：「這種方法使我們能夠非常精確地測量載流子的動態。研究結果讓我們對樣品的特性如何影響載流子的運動有了基本的瞭解。這意味著，未來可以利用這項技術有針對性地提高太陽能電池的品質，進而提高其效率。」

馬蒂亞斯研究小組的初級研究小組負責人馬塞爾·羅伊策爾博士補充道：「這意味著，這項技術不僅可用於這些特殊設計的系統，還可用於新型材料的研究。」

參考文獻：《暗激子的超快奈米成像》，作者：大衛·施密特、揚·菲利普·班格、維布克·本內克、朱塞佩·梅內基尼、阿卜杜勒阿齊茲·穆泰裡、馬可·默博爾特、喬納斯·波爾斯、渡邊健二、谷口隆、薩賓·施泰爾、丹尼爾·施泰爾、R·託馬斯·韋茨、斯蒂芬·霍夫曼、塞繆爾·佈雷姆、G·S·馬蒂亞斯·詹森、埃爾明·馬利奇、斯特凡·馬蒂亞斯和馬塞爾·羅伊策爾，發表於2025年1月3日的《自然光子學》，DOI：10.1038/s41566 - 024 - 01568 - y。

這項研究得到了德國研究基金會資助的合作研究中心「原子尺度上的能量轉化控制」和「哥廷根實驗數學」，以及馬爾堡合作研究中心「內部介面的結構與動態」的支援。