Físicos observam a quasipartícula ‘polaron’ pela primeira vez

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Créditos: Greg Stewart / Centro de Aceleração Linear de Stanford.

Por David Nield
Publicado na ScienceAlert

Polarons são importantes fenômenos em nanoescala: uma configuração transitória entre elétrons e átomos (conhecidos como quasipartículas) que existem por apenas trilionésimos de segundo.

Essas configurações têm características únicas que podem nos ajudar a entender alguns dos comportamentos misteriosos dos materiais que elas formam – e os cientistas acabaram de observá-los pela primeira vez.

Polarons foram analisados em perovskitas híbridas de chumbo, materiais de células solares de última geração que prometem aumentar as taxas de conversão de forma superior aos painéis de silício que são usados ​​principalmente hoje. Os cientistas esperam que as observações do polaron nos digam exatamente como as perovskitas transformam de forma tão eficiente a luz do Sol em eletricidade.

Para encontrar os polarons, os cientistas ministraram a luz em cristais únicos de perovskitas híbridas de chumbo, observando-os com um laser gigante de raios-X por elétrons livres chamado Linac Coherent Light Source (LCLS) – capaz de gerar imagens de materiais nas menores escalas nos tempos mais curtos, até trilionésimos de segundo (ou picossegundos).

Ilustração de polarons na perovskita híbrida de chumbo. Créditos: Greg Stewart / Centro de Aceleração Linear de Stanford.

“Quando você coloca uma carga em um material atingido pela luz, como acontece em uma célula solar, os elétrons são liberados e esses elétrons livres começam a se mover ao redor do material”, disse o físico Burak Guzelturk do Laboratório Nacional de Argonne, pelo Departamento de Energia dos EUA.

“Logo eles são cercados e engolfados por uma espécie de bolha de distorção local – o polaron – que viaja junto com eles. Algumas pessoas argumentaram que essa bolha protege os elétrons de espalhar defeitos no material e ajuda a explicar por que eles viajam com tanta eficiência ao contato da célula solar para fluir como eletricidade”.

Por mais promissores que sejam as perovskitas como material de painel solar, não está totalmente claro por quê elas são assim: elas têm muitos defeitos que deveriam limitar o quão eficiente a corrente pode fluir por elas, e são notoriamente frágeis e instáveis. Os polarons podem oferecer algumas respostas.

Esses polarons são essencialmente breves distorções da estrutura atômica do material, e foram vistos sendo capazes de se deslocar em torno de 10 camadas de átomos. A distorção aumentou o espaçamento dos átomos ao redor em cerca de 50 vezes – a 5 bilionésimos de um metro – em dezenas de picossegundos.

As diminutas distorções ou bolhas eram maiores do que os cientistas esperavam, podendo se mover pela estrutura atômica flexível e leve da perovskita híbrida. O material está de alguma forma se comportando como um sólido e um líquido ao mesmo tempo.

“Esses materiais vieram com tudo para o campo da pesquisa de energia solar por causa de sua alta eficiência e baixo custo, mas as pessoas ainda discutem por que funcionam”, disse o cientista de materiais Aaron Lindenberg, da Universidade de Stanford (EUA).

“A ideia de que polarons podem estar envolvidos existe há vários anos, mas nossos experimentos são os primeiros a observar diretamente a formação dessas distorções locais, incluindo seu tamanho, forma e como eles evoluem”.

Embora as perovskitas já estejam sendo usadas na produção de energia solar, muitas vezes em combinação com o silício, elas apresentam seus desafios – embora tenhamos visto grandes ganhos de eficiência com esses materiais, supõe-se que eles sejam capazes de ainda mais.

Com o passar dos anos, os cientistas continuam a superar obstáculos que mantiveram a eficiência do painel solar mais baixa do que deveriam ser, e com nossa dependência de fazendas solares aumentando, melhorias de apenas alguns pontos percentuais podem fazer uma grande diferença.

No entanto, os pesquisadores por trás da descoberta dos polarons estão ansiosos para enfatizar que eles não responderam a todas as perguntas em torno dessas quasipartículas ainda – e há muito mais para aprender sobre seus impactos nas perovskitas e outros materiais.

“Embora este experimento mostre tão diretamente que esses objetos realmente existem, não mostra como eles contribuem para a eficiência de uma célula solar”, diz Lindenberg. “Ainda há mais trabalho a ser feito para entender como esses processos afetam as propriedades desses materiais”.

A pesquisa foi publicada na Nature Materials.