Optimierung von Dunkelzustaenden fuer die Energiespeicherung
DARKENET: Engineering dark modes for energy trapping
Wissenschaftsdisziplinen
Physik, Astronomie (100%)
Keywords
-
Quantum Dots,
Subradiance,
Energy Trapping
Der zunehmende weltweite Ressourcenbedarf lässt Wissenschaftler an der vermehrten Ausnutzung erneuerbarer Energien arbeiten. Eine große Herausforderung in diesem Zusammenhang ist die Verbesserung der Effizienz von Solarzellen. In der Natur läuft das Einfangen und die Umwandlung von Licht in nutzbare Energieformen seit Millionen von Jahren mit der sehr hoher Effizienz: die Photosynthese. Durch diesen Prozess gewinnen Pflanzen, Algen und Bakterien Solarenergie, speichern sie als chemische Energie und ermöglichen erst so das Leben auf unserem Planeten. In den ersten Stufen der Photosynthese wird das Sonnenlicht von ringförmigen Chlorophyll Molekülen (LH2) eingefangen. Die Energie wird dann über andere Moleküle zu Reaktionszentren weitertransportiert, wo sie für weitere chemische Reaktionen gespeichert wird. Einfang- und Transportprozess sind nahezu zu 100 % effizient, was Physiker und Chemiker seit Jahrzehnten fasziniert. Aus physikalischer Perspektive ist das LH2 Molekül einfach ein Ring aus elektrischen Dipolen, deren Wechselwirkungen von den Abständen und relativen Orientierungen abhängen. Für Abstände kleiner als die optische Wellenlänge bewirken die Wechselwirkungen gemeinsame Zustände bei welchen die Strahlungseigenschaften unterdrückt sind, bzw. verlängerte Lebensdauern vorherrschen. Diese werden auch als Dunkelzustände bezeichnet. Intuitiverweise kann man also schließen, dass die Nature solche Dunkelzustände optimiert hat um die Solarenergie effizient für längere Zeit einzufangen bevor diese an das Reaktionszentrum weitergeleitet wird. Ultrakurzer Laserpulse haben Energietransportstudien an LH2 mit einer Zeitauflösung weniger Femtosekunden ermöglicht, was jedoch wegen der der begrenzten Photostabilität und der niedrigen Effizienz sehr schwierig war. In diesem Projekt möchte eine Gruppe von Physikern unter der Leitung von Dr. Vikas Remesh zusammen mit ForscherInnen aus Kanada eine Art Analogsystem auf der Basis von Quantenpunkten in Nanodrähten aufbauen um die kollektiven Strahlungseffekte von LH2 zu untersuchen. Quantenpunkte sind Halbleiternanokristalle, die häufig als künstliche Atome bezeichnet werden, weil sie diskrete Energieniveaus aufweisen, welche durch in der Fabrikation genau eingestellt werden können. Im Gegensatz zu LH2 sind Quantenpunkte sehr hell und extrem stabil und können in beliebigen Anordnungen mit hoher Genauigkeit hergestellt werden. Mit ihrer Hilfe haben wir die Möglichkeit das natürliche Lichteinfang- und Speichersystem zu entschlüsseln, das in der Natur von der Evolution optimiert wurde. Nach der Herstellung der Quantenpunkt-Ringstrukturen planen die ForscherInnen ein Mikroskop mit einem Ultrakurzpulslaser und sehr empfindlichen Detektoren aufzubauen um die Eigenschaften des Energietransports durch die Dunkelzustände zu untersuchen. Sind die Dunkelzustände das Geheimnis hinter dem hocheffizienten Energietransportmechanismus in der natürlichen Photosynthese? Es gibt nur einen Weg das herauszufinden!
- Universität Innsbruck - 100%