Dans des laboratoires où la lumière du soleil est recréée par des lasers et où les plus petits mouvements de la matière se déroulent en une trillionième de seconde, les scientifiques entrevoient parfois des événements si rapides que le temps lui-même semble se replier sur lui-même. Les molécules vibrent, les électrons s'agitent, et l'architecture de l'énergie se révèle dans de brèves éclairs de mouvement—des moments qui passent bien plus vite que la perception humaine ne peut suivre.

Pendant des décennies, le fonctionnement interne des matériaux solaires a été imaginé comme un déploiement progressif. Lorsque la lumière frappe une surface, l'énergie se déplace à travers les molécules dans un processus considéré comme quelque peu patient, se répandant à travers les matériaux avant de devenir finalement de l'électricité utilisable. L'histoire, dans de nombreux manuels, se déroule comme une douce dérive.

Mais la nature préfère parfois des sauts soudains.

Lors d'expériences récentes menées par des chercheurs de l'Université de Cambridge, des scientifiques ont observé des électrons se déplaçant à travers une interface de matériau solaire en seulement 18 femtosecondes—moins de vingt quadrillions de secondes. À cette échelle, le mouvement se produit dans l'intervalle d'une seule vibration moléculaire, correspondant effectivement au rythme auquel les atomes eux-mêmes se déplacent.

Pour mettre cela en perspective, une seule seconde contient de manière exponentielle plus de femtosecondes que le nombre total d'heures écoulées depuis le début de l'univers. Pourtant, dans cet intervalle fugace, les chercheurs ont pu observer un électron se séparant de son partenaire et traversant une frontière moléculaire dans une seule impulsion décisive.

Cette découverte remet en question des hypothèses longtemps tenues sur la façon dont l'énergie se déplace à l'intérieur des matériaux solaires organiques. Lorsque la lumière du soleil frappe de nombreux systèmes à base de carbone, elle crée une paire de particules étroitement liées connue sous le nom d'exciton—une combinaison d'un électron et du "trou" chargé positivement qu'il laisse derrière lui. Pour que les technologies solaires fonctionnent efficacement, cette paire doit se séparer rapidement en charges libres capables de se déplacer à travers le matériau et de générer un courant électrique.

Traditionnellement, les scientifiques croyaient que cette séparation nécessitait un couplage électronique fort ou de grandes différences d'énergie entre les matériaux—des conditions qui limitent parfois l'efficacité en gaspillant de l'énergie. Pour tester ces hypothèses, l'équipe de Cambridge a délibérément construit un système censé fonctionner mal. Ils ont associé un donneur polymère à un matériau accepteur non-fullerène qui partageait presque aucune différence d'énergie et seulement une interaction faible. Selon la théorie conventionnelle, l'électron aurait dû se déplacer lentement, voire pas du tout.

Au lieu de cela, quelque chose de bien plus dramatique s'est produit.

Des mesures au laser ultrarapides ont révélé que l'électron ne se déplaçait pas aléatoirement à travers le matériau. Au contraire, il semblait être propulsé en avant dans une seule impulsion cohérente. Le mouvement était entraîné par les vibrations naturelles des molécules elles-mêmes—de minuscules oscillations se produisant à une fréquence incroyablement élevée. Les chercheurs ont comparé l'effet à une catapulte moléculaire, où les vibrations atomiques fournissent la poussée précise nécessaire pour lancer l'électron à travers la frontière.

À ce moment-là, le mouvement moléculaire et le mouvement électronique se sont synchronisés. L'électron ne voyageait pas par diffusion lente mais par un saut directionnel guidé par les vibrations de la structure qui l'entoure.

Pour les scientifiques étudiant l'énergie solaire, cette découverte ouvre une possibilité intrigante. Au lieu de concevoir des matériaux qui suppriment les vibrations moléculaires—longtemps considérées comme une source d'inefficacité—les technologies futures pourraient plutôt exploiter ces vibrations pour accélérer la séparation des charges et réduire les pertes d'énergie.

La recherche, publiée dans Nature Communications, suggère que la vitesse ultime de conversion de l'énergie pourrait dépendre non seulement de la structure statique des matériaux mais aussi de la façon dont leurs atomes se déplacent et vibrent ensemble.

Les chercheurs affirment que ces résultats pourraient aider à orienter la prochaine génération de matériaux solaires, de photodétecteurs et de systèmes photocatalytiques conçus pour convertir la lumière du soleil en électricité ou en combustibles chimiques. L'observation que les électrons peuvent traverser une frontière moléculaire en seulement 18 femtosecondes offre un nouvel aperçu des processus fondamentaux qui régissent les technologies de collecte de lumière.

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Sources (Noms des médias uniquement) ScienceDaily Phys.org Nature Communications Tech Explorist EurekAlert