7 مه 2024 -توسط دانشگاه کالیفرنیا، ایروین
یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی شیمی‌دانان دانشگاه کالیفرنیا، روشی ناشناخته را کشف کرده‌اند که در آن نور با ماده تعامل می‌کند، یافته‌ای که می‌تواند منجر به بهبود سیستم‌های انرژی خورشیدی، دیودهای ساطع نور، لیزرهای نیمه‌رسانا و سایر پیشرفت‌های فناوری شود.
در مقاله‌ای که اخیراً در مجله ACS Nano منتشر شد، دانشمندان به همراه همکارانش در دانشگاه فدرال کازان روسیه توضیح دادند که چگونه فهمیدند که فوتون‌ها می‌توانند حرکت قابل توجهی، مشابه الکترون‌ها در مواد جامد، زمانی که در فضاهای در مقیاس نانومتری محدود می‌شوند، در سیلیکون به دست آورند.
دیمیتری فیشمن، نویسنده ارشد، استاد کمکی دانشگاه UC Irvine گفت: “سیلیکون دومین عنصر فراوان زمین است و ستون فقرات الکترونیک مدرن را تشکیل می دهد. با این حال، به عنوان یک نیمه رسانای غیرمستقیم، استفاده از آن در الکترونیک نوری به دلیل خواص نوری ضعیف علم شیمی مانع شده است.”.
وی گفت در حالی که سیلیکون به طور طبیعی نور را به شکل توده ای ساطع نمی کند، سیلیکون متخلخل و نانوساختار می تواند پس از قرار گرفتن در معرض تشعشعات مرئی، نور قابل تشخیص تولید کند. دانشمندان ده ها سال است که از این پدیده آگاه بوده اند، اما منشا دقیق روشنایی موضوع بحث بوده است.
فیشمن گفت :در سال 1923، آرتور کامپتون کشف کرد که فوتون‌های گاما دارای تکانه کافی برای برهمکنش قوی با الکترون‌های آزاد یا محدود هستند. این به اثبات این موضوع کمک کرد که نور دارای هر دو ویژگی موجی و ذره‌ای است، یافته‌ای که منجر به دریافت جایزه نوبل فیزیک کامپتون در سال 1927 شد.”
ما در آزمایشات خود نشان دادیم که تکانه نور مرئی محدود به بلورهای سیلیکونی در مقیاس نانو، برهمکنش نوری مشابهی را در نیمه هادی ها ایجاد می کند.
درک منشا این تعامل مستلزم سفر دیگری به اوایل قرن بیستم است. در سال 1928، فیزیکدان هندی رامان که در سال 1930 برنده جایزه نوبل فیزیک شد، تلاش کرد آزمایش کامپتون را با نور مرئی تکرار کند. با این حال، او با یک مانع بزرگ در اختلاف اساسی بین تکانه الکترون ها و فوتون های مرئی مواجه شد.
علیرغم این شکست، تحقیقات رامان در مورد پراکندگی غیرکشسان در مایعات و گازها منجر به آشکار شدن چیزی شد که اکنون به عنوان اثر رامان ارتعاشی شناخته می‌شود و طیف‌سنجی – روشی حیاتی برای مطالعات طیف‌سنجی ماده – به عنوان پراکندگی رامان شناخته می‌شود.
اریک پوتما، استاد شیمی دانشگاه کالیفرنیا ارواین، یکی از نویسندگان این مقاله گفت: کشف تکانه فوتون در سیلیکون نامنظم به دلیل نوعی پراکندگی الکترونیکی رامان است. اما برخلاف رامان ارتعاشی مرسوم، رامان الکترونیکی شامل حالات اولیه و نهایی متفاوتی برای الکترون است، پدیده ای که قبلا فقط در فلزات مشاهده شده بود.
برای آزمایش های خود، محققان در آزمایشگاه خود نمونه هایی از شیشه سیلیکونی تولید کردند که دارای شفافیت از بی شکل تا کریستال بود. آنها یک فیلم سیلیکونی با ضخامت 300 نانومتر را در معرض یک پرتو لیزر موج پیوسته متمرکز قرار دادند که برای نوشتن آرایه‌ای از خطوط مستقیم اسکن شد.
در مناطقی که دما از 500 درجه سانتیگراد تجاوز نمی کرد، این روش منجر به تشکیل یک شیشه متصل متقابل همگن شد. در مناطقی که دما از 500 درجه سانتیگراد فراتر رفت، یک شیشه نیمه هادی ناهمگن تشکیل شد. این “فیلم فوم نور” به محققان این امکان را داد که مشاهده کنند که چگونه خواص الکترونیکی، نوری و حرارتی در مقیاس نانومتر متفاوت است.
فیشمن گفت: «این کار درک ما از برهمکنش نور و ماده را به چالش می‌کشد و بر نقش حیاتی لحظه فوتون تأکید می‌کند.
“در سیستم های بی نظم، تطبیق تکانه الکترون-فوتون برهمکنش را تقویت می کند – جنبه ای که قبلا فقط با فوتون های پرانرژی گاما در پراکندگی کامپتون کلاسیک مرتبط بود. در نهایت، تحقیقات ما راه را برای گسترش طیف سنجی های نوری مرسوم فراتر از کاربردهای معمول آنها در تجزیه و تحلیل شیمیایی هموار می کند. مانند طیف‌سنجی سنتی رامان ارتعاشی در قلمرو مطالعات ساختاری – اطلاعاتی که باید با تکانه فوتون ارتباط نزدیکی داشته باشد.
پوتما افزود: “این ویژگی جدید نور بدون شک قلمرو جدیدی از کاربردها را در اپتوالکترونیک باز خواهد کرد. این پدیده کارایی دستگاه های تبدیل انرژی خورشیدی و مواد ساطع کننده نور را افزایش می دهد، از جمله موادی که قبلا برای انتشار نور مناسب نبودند. “
