加州理工学院的研究人员已经开发出一种从太阳能中获取更多能量的方法——可以这么说，就是在新带电粒子有机会冷却之前收集它们。
这项基础研究有一天可以帮助科学家从太阳中获取比植物的自然光合作用更有效的能量。7月27日，《自然材料》(Nature Materials)杂志发表了一项描述这一过程的研究。
电荷以带负电荷的自由电子和带正电荷的"空穴的形式存在。电子是在材料中运动的亚原子粒子，而空穴是指原子晶格中没有电子，而原子晶格中可能存在一个电子。空穴吸引自由电子，可以被认为是带正电荷的准粒子。当两者结合时——或者更确切地说，当电子填入空穴时——它们会消失不再移动，这意味着它们不再传递电荷。
自然光合作用的一个基本过程是将电子从空穴中分离出来，然后将这些自由带电荷的准粒子——被称为载体——聚集起来
并不是所有的承运人都生来平等。当被像太阳这样的广谱光源激发时，载流子会变得非常兴奋并携带大量的能量——成为"热载流子。"之后，它们下降到较低的能态，成为"的弛缓载流子。"目前，太阳能电池板只能分离和收获宽松的载体，这是太阳能电池板效率往往徘徊在15- 20%的部分原因。
"《自然材料》那篇论文的通讯作者哈里·阿特沃特说:“如果能够捕捉到输送更多能量的热载体，我们就能从太阳能中获得3到4倍的能量。”阿特沃特是应用物理学和材料科学霍华德·休斯教授，也是人工光合作用联合中心(JCAP)主任。JCAP成立于2010年，是美国能源部(DOE)的能源创新中心，负责开发新的、有效的方法，将阳光转化为化学燃料。
阿特沃特和他的同事首次演示了一种电荷分离过程，这种过程可以收集热载体。他们在金属(金)和半导体(氮化镓)之间创造了一个结合点，然后用激光脉冲激发电子空穴对。每次激光脉冲后不到200飞秒——在载流子有时间放松到较低的能量状态之前——它们就会用另一束名为探针的光冲击这对电子，将电子从空穴中分离出来，并保持空穴的开放。"(作为参考，一飞秒是十亿分之一秒。)
除了捕获热洞，该团队还能够观察到热洞是如何放松到较低的能量状态的，从而了解这一过程是如何工作的。他们惊奇地发现，当他们获得一个热洞时，它改变了成对热电子的弛豫动力学。"阿特沃特说:“我们的目标是同时收集电子和空穴，但我们能够收集空穴并观察弛豫过程。”这是一个受欢迎的惊喜。我们不知道或不期望电子和空穴的弛豫过程会如此相互依赖
我们仍在研究如何捕获热航母的基本思路。但是"阿特沃特说，掌握这一点对于更有效地将阳光转化为可用能源是至关重要的。
本文的题目是"超快热孔注入修正了Au/p-GaN异质结构中的热电子动力学。"两位共同的主要作者是加州理工学院前博士后朱利亚·塔利亚布和约瑟夫·杜琴，他们现在分别在瑞士洛桑联邦理工学院和马萨诸塞大学工作。合著者包括加州理工学院校友郑文辉(博士)，现就职于斯坦福大学。其他共同作者是瑞典乌普萨拉大学的Mohamed Abdellah、Yocefu Hattori和Jacinto Sa;纽约伦斯勒理工学院的Adela Habib和前博士后Ravishankar Sundararaman;伊利诺斯州阿贡国家实验室的David J. Gosztola;丹麦技术大学的郑凯博;以及德国Elektronen同步加速器(DESY)的Sophie E. Canton。本研究由JCAP资助。
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