Spektret for CO i fast form er ekstremt temperaturfølsomt

David Field og Andrew Cassidy fra IFA er medforfattere til en ny artikel i Physical Review Letters om overraskende egenskaber ved ekstremt nedkølet kulilte - CO

12.10.2017 | Ole J. Knudsen

Principdiagram for ASTRID på Institut for Fysik og Astronomi

Den farve, som et fast stof har, er først og fremmest bestemt af de kemiske egenskaber, som igen bestemmer hvilke bølgelængder af lyset, som stoffet absorberer, og hvilke det reflekterer - det er det reflekterede lys, som bestemmer farven. Det er dog også en kendt sag, at andre ting spiller ind. For nogle stoffer bestemmes farven også af, hvad temperaturen har været, da stoffet blev dannet i fast form. I en ny artikel i det højt ansete tidsskrift Physical Review Letters beskriver en række internationale forskere et sådant fænomen for kulilte, CO i fast form. David Field og Andrew M. Cassidy fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet er medforfattere.

Spontelektricitet har skylden

For CO i fast form har forskerne målt farveændringer ved så små temperaturforskelle som fra -253°C til -254°C. Det er noget helt nyt og usædvanligt. Forklaringen er knyttet til en andet usædvanligt fænomen, som er opdaget på Aarhus Universitet med ASTRID synkrotronlagerringen. Effekten optræder kun for visse stoffer og kun ved disse yderst lave temperaturer, og den kaldes 'spontelektricitet'.

 CO-molekylet er en elektrisk dipol, det vil sige, at elektronerne stuver sig en smule mere sammen i den ene ende af molekylet end i den anden. Der er flere i kulenden end i oxygenenden. Når CO fryses ned fra den sædvanlige gasform, og molekylerne sætter sig sammen til et fast stof vil disse dipoler rette sig ind efter hinanden og skabe et samlet ydre elektrisk felt af enorm styrke - omkring 40 millioner volt pr meter, og det er det, der kaldes spontan elektricitet - spontelektricitet.

Spontelektricitet i N2O

Elektron-hulpar med stor afstand

I så kraftige felter skabes der par af elektroner og 'huller' - noget, der ikke tidligere er set i isolerende stoffer som for eksempel CO. Disse par er ekstremt følsomme overfor de ændringer i det elektriske felt, som sker selv ved små temperaturændringer, og det er det, der afspejler sig i ændringer i stoffets reflektionsegenskaber.

Nærmere bestemt sker der dette: Når det faste CO absorberer ultraviolet lys - i dette tilfælde er forsøget udført ved lagerringen i Taiwan - får elektronerne mere energi; de bliver eksiterede fra deres normale tilstand, 'valensbåndet' og op til et højere niveau, 'ledningsbåndet'. Dette efterlader et positivt 'hul' i valensbåndet og en negativ elektron i ledningsbåndet. Der er dannet et elektron-hulpar. I det undersøgte tilfælde er de to forbavsende nok meget langt fra hinanden; mere end 5 nm. Det kraftige spontelektriske felt skubber dem så endnu længere fra hinanden, og da feltstyrken er afhængig af temperaturen, ser man, at det lys, som det tynde lag CO kan absorbere er stærkt afhængig af temperaturen. Den samme effekt er også observeret ved IFAs ASTRID2 i molekylet N2O.

 Sandsynligvis vil man kunne finde lignende effekter i andre isolerende stoffer, nu, da man er opmærksomme på fænomenet, og det kan have betydning for eksempel for effektiviteten af solceller.

Titlen på den nye artikel er Wannier-Mott Excitons in Nanoscale Molecular Ices

Institut for Fysik og Astronomi, Offentligheden / Pressen, Studerende, Medarbejdere