Istraživački tim na čelu sa hemičarima sa Univerziteta u Kaliforniji, Irvine, otkrio je ranije nepoznat način na koji svetlost stupa u interakciju sa materijom, što bi moglo dovesti do poboljšanja sistema solarne energije, dioda koje emituju svetlost, poluprovodničkih lasera i drugih tehnoloških napretka.
U članku koji je nedavno objavljen u časopisu ACS Nano, naučnici, kojima su se pridružile kolege sa ruskog Kazanskog federalnog univerziteta, objašnjavaju kako su naučili da fotoni mogu dobiti značajan impuls, sličan onom elektrona u čvrstim materijalima, kada su ograničeni na prostore nanometarske skale. u silicijum.
„Silicijum je drugi element po zastupljenosti na Zemlji i čini okosnicu moderne elektronike. Međutim, budući da je indirektni poluprovodnik, njegovo korišćenje u optoelektronici je ometano lošim optičkim svojstvima“, rekao je stariji autor Dmitri Fishman, pomoćni profesor UC Irvine. hemija.
On je rekao da iako silicijum prirodno ne emituje svetlost u svom masovnom obliku, porozni i nanostrukturirani silicijum može da proizvede detektivnu svetlost nakon što je izložen vidljivom zračenju. Naučnici su decenijama bili svesni ovog fenomena, ali je tačno poreklo osvetljenja predmet debate.
„Godine 1923. Arthur Compton je otkrio da gama fotoni poseduju dovoljan zamah za snažnu interakciju sa slobodnim ili vezanim elektronima. Ovo je pomoglo da se dokaže da svetlost ima svojstva i talasa i čestica, nalaz koji je doveo do toga da je Compton dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1927.“ rekao je Fishman.
„U našim eksperimentima, pokazali smo da impuls vidljive svetlosti ograničene na kristale silicijuma na nanosmeru proizvodi sličnu optičku interakciju u poluprovodnicima.“
Razumevanje porekla interakcije zahteva još jedno putovanje nazad u početak 20. veka. Godine 1928. indijski fizičar C.V. Raman, koji je 1930. dobio Nobelovu nagradu za fiziku, pokušao je da ponovi Komptonov eksperiment sa vidljivom svetlošću. Međutim, naišao je na ogromnu prepreku u značajnoj nesrazmeri između impulsa elektrona i impulsa vidljivih fotona.
Uprkos ovom neuspehu, Ramanova istraživanja neelastičnog rasejanja u tečnostima i gasovima dovela su do otkrića onoga što je sada prepoznato kao vibracioni Ramanov efekat, a spektroskopija – ključni metod spektroskopskih studija materije – postala je poznata kao Ramanovo rasejanje.
„Naše otkriće momenta fotona u neuređenom silicijumu je posledica oblika elektronskog Ramanovog rasejanja“, rekao je koautor Eric Potma, profesor hemije UC Irvine. „Ali za razliku od konvencionalnog vibracionog Ramana, elektronski Raman uključuje različita početna i krajnja stanja za elektron, fenomen koji je ranije primećen samo u metalima.“
Za svoje eksperimente, istraživači su u svojoj laboratoriji proizveli uzorke silicijumskog stakla koji su se kretali po jasnoći od amorfnog do kristalnog. Oni su podvrgli silikonski film debljine 300 nanometara čvrsto fokusiranom laserskom zraku neprekidnog talasa koji je skeniran da bi napisao niz pravih linija.
U područjima gde temperatura nije prelazila 500 stepeni Celzijusa, postupak je rezultirao formiranjem homogenog umreženog stakla. U oblastima gde je temperatura prelazila 500 C formirano je heterogeno poluprovodno staklo. Ovaj „film sa svetlosnom penom“ omogućio je istraživačima da posmatraju kako elektronska, optička i termička svojstva variraju na nanometarskoj skali.
„Ovaj rad izaziva naše razumevanje interakcije svetlosti i materije, naglašavajući kritičnu ulogu momenta fotona“, rekao je Fishman.
„U neuređenim sistemima, usklađivanje impulsa elektrona i fotona pojačava interakciju – aspekt koji je ranije bio povezan samo sa visokoenergetskim – gama – fotonima u klasičnom Comptonovom rasejanju. Na kraju, naše istraživanje utire put proširenju konvencionalnih optičkih spektroskopija izvan njihove tipične primene u hemijskoj analizi , kao što je tradicionalna vibraciona Ramanova spektroskopija u oblast strukturnih studija – informacije koje bi trebalo da budu blisko povezane sa impulsom fotona.“
Potma je dodao: „Ovo novo ostvareno svojstvo svetlosti bez sumnje će otvoriti novu oblast primene u optoelektronici. Ovaj fenomen će povećati efikasnost uređaja za konverziju sunčeve energije i materijala koji emituju svetlost, uključujući materijale za koje se ranije smatralo da nisu pogodni za emitovanje svetlosti.“
