Forskerhold opdager lysets nye egenskaber
Et forskerhold ledet af kemikere ved University of California, Irvine, har opdaget en hidtil ukendt måde, hvorpå lys interagerer med stof, et fund, der kan føre til forbedrede solenergisystemer, lysemitterende dioder, halvlederlasere og andre teknologiske fremskridt.
I en artikel offentliggjort for nylig i tidsskriftet ACS Nano , forklarer videnskabsmændene, sammen med kolleger ved Ruslands Kazan Federal University, hvordan de lærte, at fotoner kan opnå væsentligt momentum, svarende til elektroner i faste materialer, når de er begrænset til rum i nanometerskala i silicium.
"Silicon er Jordens næstmest rigelige element, og det danner rygraden i moderne elektronik. Da det er en indirekte halvleder, er dets udnyttelse i optoelektronik imidlertid blevet hindret af dårlige optiske egenskaber," siger seniorforfatter Dmitry Fishman, UC Irvine adjungeret professor i kemi.
Han sagde, at mens silicium ikke naturligt udsender lys i sin bulkform, kan porøst og nanostruktureret silicium producere sporbart lys efter at være blevet udsat for synlig stråling. Forskere har været opmærksomme på dette fænomen i årtier, men den præcise oprindelse af belysningen har været genstand for debat.
"I 1923 opdagede Arthur Compton, at gammafotoner besad tilstrækkeligt momentum til stærkt at interagere med frie eller bundne elektroner. Dette var med til at bevise, at lys havde både bølge- og partikelegenskaber, en konstatering, der førte til, at Compton modtog Nobelprisen i fysik i 1927." sagde Fishman.
"I vores eksperimenter viste vi, at momentum af synligt lys begrænset til nanoskala siliciumkrystaller producerer en lignende optisk interaktion i halvledere."
En forståelse af samspillets oprindelse kræver endnu en tur tilbage til det tidlige 20. århundrede. I 1928 blev den indiske fysiker C.V. Raman, der vandt Nobelprisen i fysik i 1930, forsøgte at gentage Compton-eksperimentet med synligt lys. Han stødte dog på en formidabel hindring i den væsentlige forskel mellem elektronernes momentum og synlige fotoner.
På trods af dette tilbageslag førte Ramans undersøgelser af uelastisk spredning i væsker og gasser til afsløringen af, hvad der nu er anerkendt som den vibrationelle Raman-effekt, og spektroskopi - en afgørende metode til spektroskopiske undersøgelser af stof - er blevet kendt som Raman-spredning.
"Vores opdagelse af fotonmomentum i uordnet silicium skyldes en form for elektronisk Raman-spredning," sagde medforfatter Eric Potma, UC Irvine professor i kemi. "Men i modsætning til konventionel vibrationel Raman involverer elektronisk Raman forskellige begyndelses- og sluttilstande for elektronen, et fænomen, der tidligere kun blev observeret i metaller."
Til deres eksperimenter producerede forskerne i deres laboratorium siliciumglasprøver, der varierede i klarhed fra amorf til krystal. De udsatte en 300 nanometer tyk siliciumfilm for en stramt fokuseret kontinuerlig bølgelaserstråle, der blev scannet for at skrive en række lige linjer.
I områder, hvor temperaturen ikke oversteg 500 grader Celsius, resulterede proceduren i dannelsen af et homogent tværbundet glas. I områder, hvor temperaturen oversteg 500 C, blev der dannet et heterogent halvlederglas. Denne "lysopskummede film" gjorde det muligt for forskerne at observere, hvordan elektroniske, optiske og termiske egenskaber varierede på nanometerskalaen.
"Dette arbejde udfordrer vores forståelse af lys- og stofinteraktion, hvilket understreger den kritiske rolle af fotonmomenta," sagde Fishman.
"I uordnede systemer forstærker elektron-foton-momentum-matching interaktion - et aspekt, der tidligere kun var forbundet med højenergi-gamma-fotoner i klassisk Compton-spredning. I sidste ende baner vores forskning vejen for at udvide konventionelle optiske spektroskopier ud over deres typiske anvendelser i kemisk analyse. , såsom traditionel vibrationel Raman-spektroskopi ind i området for strukturelle undersøgelser - den information, der bør være tæt forbundet med fotonmomentum."
Potma tilføjede, "Denne nyligt realiserede egenskab af lys vil uden tvivl åbne et nyt område af applikationer inden for optoelektronik. Fænomenet vil øge effektiviteten af solenergikonverteringsenheder og lysemitterende materialer, herunder materialer, der tidligere blev anset for uegnede til lysemission ."
Flere oplysninger: Sergey S. Kharintsev et al., Photon-Momentum-Enabled Electronic Raman Scattering in Silicon Glass, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c12666
Journaloplysninger: ACS Nano
Leveret af University of California, Irvine
Varme artikler
-
Nærmere glip af Large Hadron Collider kaster lys over begyndelsen af gluondominerede protonerKredit:KU Nye fund fra University of Kansas eksperimentelle atomfysikere Daniel Tapia Takaki og Aleksandr (Sasha) Bylinkin blev netop offentliggjort i European Physical Journal C . Papiret fokus -
Biolog bestrider konklusionerne af nyere artikler om biologisk magnetismeKredit:Caltech Caltech-biolog Markus Meister bestrider nyere forskning og hævder at have løst, hvad han beskriver som det sidste sande mysterium inden for sensorisk biologi - dyrenes evne til at d -
Farvehjulsteori:Sådan taler du om farveDet 12-farvehjul, der bruges i moderne farveteori, er stort set det samme som det, der først blev skabt af Sir Isaac Newton i 1666. Mark McKinney/Flickr (CC BY-NC-SA 2.0) Den første dag i din første -
En universel beskrivelse af ikke-ligevægtskolloidfaseseparationKredit:CC0 Public Domain Væsker, med deres flydende dynamik, er ofte langt fra ligevægt. Dette gør det særligt svært at modellere processer i blødt stof eller levende væv, som indeholder væsker. N
- Løsning af mysterierne med vand og luft under jorden
- Gendannelse af jordens naturlige forsvarere
- Ubæredygtig sandminedrift truer liv langs Mekong-floden i Cambodja
- Forskere udvider kvanteforstærkning til Floquet-systemer
- NASAs Webb vil søge atmosfærer omkring potentielt beboelige exoplaneter
- SpaceX lancerer søndag en klassificeret amerikansk nyttelast