洛斯阿拉莫斯国家实验室 用锰掺杂量子点(图的右半部分)将热电子的能量捕获速度提高到0
15皮秒，超过晶格中声子的损失
信用:洛斯阿拉莫斯国家实验室 洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们已经合成了磁性掺杂的量子点，这种量子点能够捕捉紫外光产生的电子的动能，而不会将其作为热量浪费掉
实验室量子点项目的首席研究员维克多·克利莫夫说:“这一发现有可能实现新型高效太阳能电池、光探测器、光电阴极和光驱动化学反应。”
在标准太阳能电池中，大量的阳光能量被浪费为热量
这种浪费是由于缺乏有效的方法来捕捉太阳光谱中绿色到紫外线部分的光子产生的“热”电子的动能
问题是热电子由于与构成器件的晶格相互作用而很快失去能量，导致被称为声子的振动
这个过程通常发生在几皮秒(万亿分之一秒)内
先前捕获热载流子能量的努力利用了动能从高能热电子到不动的低能电子的转移，激发它进入导电状态
这种被称为载流子倍增的效应，使产生光电流的电子数量翻倍，光电流可用于提高太阳能电池的性能
然而，在大多数传统材料中，声子的能量损失超过了载流子倍增的能量增益
在他们今天发表在《自然纳米技术》上的研究中，研究人员证明了将磁性离子结合到量子点中可以大大增强有用的、产生能量的相互作用，因为它们比浪费的声子散射更快
为了实现这些想法，研究人员制备了基于硒化镉的锰掺杂量子点
“硒化镉量子点吸收的光子产生了一个电子-空穴对，或者说激子，”克利莫夫说
“这种激子很快被掺杂剂俘获，产生一种激发态，像压缩弹簧一样储存能量
当第二个光子被量子点吸收时，储存的能量被释放出来，并转移到新产生的激子，促使它进入更高的能量状态
锰离子释放的能量伴随着其磁矩的翻转，称为自旋
因此这个过程被称为自旋交换俄歇能量转移
" 蓝勒科学家的一个有趣观察是自旋交换俄歇相互作用的极短时间尺度——大约十分之一皮秒
令他们惊讶的是，这些相互作用比声子发射更快，而声子发射通常被认为是半导体材料中最快的过程
为了证明这种新的效应可以击败声子辅助冷却，洛斯阿拉莫斯的研究人员证明，设计合理的磁性掺杂量子点可以让它们在紫外线光子失去加热晶格的能量之前，提取出它所产生的热电子
这些范式转换的发现为在高级方案中利用自旋交换俄歇过程来提高太阳能电池的性能或驱动不寻常的光化学反应提供了令人兴奋的机会
在高灵敏度、高速光探测和新型光驱动电子源领域，也有令人感兴趣的机会
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