Forskere bruger nanopartikler til at gøre fotodetektorer bedre i stand til at håndtere den ultraviolette stråling

Partikelfysikere er på jagt efter lys. Ikke et hvilket som helst lys, men et karakteristisk signal produceret af interaktionen af ​​visse partikler - som spøgelsesagtige neutrinoer, som er neutrale fundamentale partikler med meget lav masse - med en detektor, der indeholder et atomhav af flydende ædelgasser.

Selvom det var lysere, dette lyssignal ville være uopdagelig af vores øjne, fordi det falder inden for det ultraviolette (UV) område af det elektromagnetiske spektrum. Og ligesom vores øjne ikke er udstyret til at se UV-lys, de fleste konventionelle fotodetektorsystemer til partikelfysiske eksperimenter fungerer meget bedre i det synlige område, end de gør i UV.

Imidlertid, nyt arbejde ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory bringer nanoteknologiens kraft til partikelfysikken i et forsøg på at få fotosensorer til at fungere bedre i eksperimentelle miljøer, hvor UV-lys produceres, som massive flydende argon-fyldte detektormoduler.

"Vi vil gerne finde et enkelt materiale, der vil give os mulighed for at identificere en specifik partikel og ikke se andre partikler. Disse nanopartikler hjælper os tættere på." - Stephen Magill, Argonne højenergifysiker

"Du kan gå online og købe fotosensorer fra virksomheder, men de fleste af dem er i det synlige område, og de fornemmer fotoner, som vi kan se, synligt lys, " sagde Argonne højenergifysiker Stephen Magill.

For at gøre deres fotosensorer mere følsomme over for UV-stråling, Magill og hans kolleger ved Argonne og University of Texas i Arlington påførte belægninger af forskellige nanopartikler på konventionelle fotodetektorer. På tværs af en bred vifte af forskellige sammensætninger, resultaterne var dramatiske. De forbedrede fotosensorer viste signifikant større følsomhed over for UV-lys end de belægningsfrie fotodetektorer.

Grunden til at nanopartiklerne virker, ifølge Magill, har med deres størrelse at gøre. Mindre nanopartikler kan absorbere fotoner med kortere bølgelængder, som senere genudsendes som fotoner med længere bølgelængder med lavere energi, han sagde. denne overgang, kendt af videnskabsmænd som "Stokes-skiftet, "konverterer UV-fotoner til synlige.

"Vi søger altid efter at finde bedre materialer, der gør det muligt for os at detektere vores partikler, " sagde Magill. "Vi vil gerne finde et enkelt materiale, der vil give os mulighed for at identificere en specifik partikel og ikke se andre partikler. Disse nanopartikler hjælper med at bringe os tættere på."

De typer eksperimenter, som videnskabsmænd bruger disse forbedrede fotodetektorer til, betragtes som en del af højenergifysikkens "intensitetsgrænse". Ved at være mere følsom over for det lille ultraviolette signal, der produceres, disse nanopartikelbelægninger øger chancerne for at opdage sjældne hændelser og kan give forskerne et bedre overblik over fænomener som neutrinoscillationer, hvor en neutrino skifter type.

Fordelene ved denne slags nyt materiale kan også række ud over partikelfysikkens rækkevidde. Magill foreslog, at partiklerne kunne inkorporeres i et gennemsigtigt glas, der kunne øge mængden af ​​synligt lys tilgængeligt i nogle dunkle omgivelser.

"Der er meget lys derude mellem 300 nanometer og 400 nanometer, som vi ikke ser og ikke bruger, " sagde Magill. "Ved at flytte bølgelængden, vi kunne skabe en måde, hvorpå det lys kan blive mere nyttigt."

Et papir baseret på undersøgelsen, "Bølgelængdeforskydende egenskaber af luminescensnanopartikler til højenergipartikeldetektion og specifik fysikprocesobservation, " optrådte i 12. juli-udgaven af Videnskabelige rapporter .