Må kraften være med dig:Opdager ultrahurtigt lys ved dets kraft

Et McGill-forskerhold har udviklet en ny teknik til at opdage ufuldkommenheder i nanostørrelser i materialer. De mener, at denne opdagelse vil føre til forbedringer i de optiske detektorer, der bruges i en lang række teknologier, fra mobiltelefoner til kameraer og fiberoptik, samt i solceller.

Forskerne, ledet af professor Peter Grutter fra McGills fysikafdeling, brugt atomkraftmikroskopi til at detektere de ultrahurtige kræfter, der opstår, når lys interagerer med stof. I deres papir, udgivet i denne uge i PNAS , de viser, at kræfter, der stammer fra to, tidsforsinkede lysimpulser kan detekteres med sub-femtosekund præcision (disse er milliontedele af en milliardtedel af et sekund) og nanometer rumlig opløsning i en lang række materialer.

Forbedret teknik til at bruge lys til at opdage ufuldkommenheder i materialer

"For at forstå og forbedre materialer, Forskere bruger typisk lysimpulser hurtigere end 100 femtosekunder til at udforske, hvor hurtigt reaktioner opstår og bestemme de langsomste trin i processen, " forklarer Zeno Schumacher, avisens første forfatter, som var post-doc i Grutters laboratorium, da forskningen blev udført, og som nu er baseret på ETH Zürich. "Det elektriske felt af en lysimpuls svinger med få femtosekunders mellemrum og vil skubbe og trække på de atomare ladninger og ioner, der udgør stof. Disse ladede legemer bevæger sig derefter, eller polarisere, under disse kræfter, og det er denne bevægelse, der bestemmer et materiales optiske egenskaber."

Ægte materialer, der bruges i solceller (også kendt som fotovoltaik) og i de optiske detektorer, der bruges i udstyr som mobiltelefoner og kameraer, har mange ufuldkommenheder og defekter af forskellige typer, som er meget svære at karakterisere, da de typisk kun er en nanometer store. I øvrigt, det har været meget udfordrende at identificere og studere 'hot spots' og 'svage led' i materialerne, der kan bremse eller hindre lysinducerede processer, fordi traditionelle teknikker til at detektere ufuldkommenheder gennemsnit over forskelle i egenskaber på et større område.

Se ufuldkommenheder i nanoskala i en række materialer

Den nye teknik udviklet af McGill-teamet kombinerer ultrahurtige ikke-lineære optiske metoder med den høje rumlige opløsning af atomkraftmikroskopi. De har demonstreret, at deres teknik virker på et isolerende ikke-lineært optisk materiale (LiNbO ₃ ) samt en nanometer tynd, todimensional halvledende flage af molybdændiselenid (MoSe ₂ ), en uorganisk forbindelse, der anvendes i optisk og scanning-probe mikroskopi.

"Vores nye teknik kan anvendes til ethvert materiale, såsom metaller, halvledere og isolatorer, siger Peter Grutter, seniorforfatteren på papiret. "Det vil gøre det muligt at bruge høj rumlig og tidsmæssig opløsning til at studere, forstå og i sidste ende kontrollere for ufuldkommenheder i fotovoltaiske materialer. Ultimativt, det skulle hjælpe os med at forbedre solceller og de optiske detektorer, der bruges i en lang række teknologier."