Сто лет поисков — и одна молекула решила всё: Кембридж открыл квантовый материал, который превращает свет в ток без потерь

Учёные из Кембриджа заметили редкое явление, которое раньше наблюдали только в неорганических оксидах металлов. На этот раз оно проявилось в органическом полупроводнике, который к тому же светится. Команда обнаружила, что внутри молекулы можно запустить процесс, при котором свет превращается в электрический ток без привычного разделения на донор и акцептор. Такой подход может изменить представления о солнечных батареях — в будущем их можно будет делать из одного лёгкого и недорого материала.

Исследование посвящено необычному органическому полупроводнику P3TTM. У каждой его молекулы есть один неспаренный электрон, из-за чего вещество ведёт себя как магнит. Над проектом работали две кембриджские группы: химики под руководством профессора Хьюго Бронстайна и физики профессора сэра Ричарда Френда. Раньше они создавали эти соединения ради их яркого свечения — для органических светодиодов. Но новая работа, опубликованная в Nature Materials, показала неожиданное: если молекулы P3TTM плотно упаковать, их неспаренные электроны начинают взаимодействовать друг с другом, как в моттово-хаббардовских изоляторах.

Когда материал поглощает свет, один из электронов перескакивает к соседней молекуле, оставляя после себя положительный заряд. Возникает разделение зарядов, и эти носители можно собрать как электрический ток. В обычных органических солнечных ячейках для этого нужны два разных вещества — одно отдаёт электроны, другое принимает. А в P3TTM всё происходит в рамках одного и того же соединения. Энергетические затраты на перенос электрона, описываемые параметром Hubbard U, здесь минимальны — значит, потери тоже малы.

Чтобы проверить, как это работает, исследователи собрали солнечный элемент из тонкой плёнки P3TTM. При освещении он показал почти идеальное преобразование света в электричество — почти каждый фотон превращался в ток. Это редкий результат для органических систем. Химик Петри Мурто разработал структуры молекул так, чтобы можно было управлять их взаимным расположением и точным энергетическим балансом, нужным для эффективного разделения зарядов.

Работа имеет и символическое значение. Ричард Френд в начале карьеры лично знал Невилла Мотта — физика, чьи идеи о поведении электронов в твёрдых телах легли в основу современной физики полупроводников. Открытие совпало с 120-летием со дня его рождения. «Это словно возвращение к истокам», — сказал Френд. — «Мы видим, как старые квантовые принципы проявляются в совершенно новом типе материалов, и теперь можем использовать их для сбора света».

Фактически исследователям удалось показать, что органический материал способен самостоятельно генерировать заряды — без привычного разделения на две фазы. Это упрощает архитектуру солнечных элементов и делает возможными тонкие, гибкие и лёгкие панели из одного вещества. Если устойчивость таких структур подтвердится, у органической электроники появится шанс выйти на новый уровень — там, где граница между светом и электричеством проходит внутри одной молекулы.