Wetenschap
Onderzoeksteam ontdekt nieuwe eigenschap van licht
Een onderzoeksteam onder leiding van scheikundigen van de Universiteit van Californië, Irvine, heeft een voorheen onbekende manier ontdekt waarop licht interageert met materie, een bevinding die zou kunnen leiden tot verbeterde zonne-energiesystemen, lichtgevende diodes, halfgeleiderlasers en andere technologische ontwikkelingen.
In een artikel dat onlangs is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano leggen de wetenschappers, samen met collega's van de Russische Kazan Federale Universiteit, uit hoe ze ontdekten dat fotonen een substantieel momentum kunnen verkrijgen, vergelijkbaar met dat van elektronen in vaste materialen, wanneer ze beperkt worden tot ruimtes op nanometerschaal in silicium.
"Silicium is het op een na meest voorkomende element op aarde en vormt de ruggengraat van moderne elektronica. Omdat het een indirecte halfgeleider is, wordt het gebruik ervan in de opto-elektronica echter belemmerd door slechte optische eigenschappen", zegt senior auteur Dmitry Fishman, adjunct-professor aan UC Irvine. chemie.
Hij zei dat hoewel silicium van nature geen licht uitzendt in zijn bulkvorm, poreus en nanogestructureerd silicium detecteerbaar licht kan produceren na blootstelling aan zichtbare straling. Wetenschappers zijn zich al tientallen jaren bewust van dit fenomeen, maar de precieze oorsprong van de verlichting is onderwerp van discussie geweest.
"In 1923 ontdekte Arthur Compton dat gammafotonen voldoende momentum bezaten om een sterke interactie aan te gaan met vrije of gebonden elektronen. Dit hielp bewijzen dat licht zowel golf- als deeltjeseigenschappen had, een bevinding die ertoe leidde dat Compton in 1927 de Nobelprijs voor de natuurkunde ontving." zei Fishman.
"In onze experimenten hebben we aangetoond dat het momentum van zichtbaar licht beperkt tot siliciumkristallen op nanoschaal een vergelijkbare optische interactie produceert in halfgeleiders."
Om de oorsprong van de interactie te begrijpen, is een nieuwe reis terug naar het begin van de 20e eeuw nodig. In 1928 stelde de Indiase natuurkundige C.V. Raman, die in 1930 de Nobelprijs voor de natuurkunde won, probeerde het Compton-experiment met zichtbaar licht te herhalen. Hij stuitte echter op een formidabel obstakel in de aanzienlijke ongelijkheid tussen het momentum van elektronen en dat van zichtbare fotonen.
Ondanks deze tegenslag leidde Ramans onderzoek naar inelastische verstrooiing in vloeistoffen en gassen tot de onthulling van wat nu wordt erkend als het vibrerende Raman-effect, en spectroscopie – een cruciale methode voor spectroscopisch onderzoek van materie – is bekend geworden als Raman-verstrooiing. /P>
"Onze ontdekking van het fotonmomentum in ongeordend silicium is te wijten aan een vorm van elektronische Raman-verstrooiing", zegt co-auteur Eric Potma, hoogleraar scheikunde aan de UC Irvine. "Maar in tegenstelling tot conventionele vibrerende Raman omvat elektronische Raman verschillende begin- en eindtoestanden voor het elektron, een fenomeen dat voorheen alleen in metalen werd waargenomen."
Voor hun experimenten produceerden de onderzoekers in hun laboratorium siliciumglasmonsters die qua helderheid varieerden van amorf tot kristal. Ze onderwierpen een 300 nanometer dikke siliciumfilm aan een strak gefocusseerde continue golflaserstraal die werd gescand om een reeks rechte lijnen te schrijven.
In gebieden waar de temperatuur niet boven de 500 graden Celsius kwam, resulteerde de procedure in de vorming van een homogeen verknoopt glas. In gebieden waar de temperatuur boven de 500 C kwam, werd een heterogeen halfgeleiderglas gevormd. Met deze "lichtgeschuimde film" konden de onderzoekers observeren hoe elektronische, optische en thermische eigenschappen varieerden op nanometerschaal.
"Dit werk daagt ons begrip van de interactie tussen licht en materie uit, en onderstreept de cruciale rol van fotonmomenta", aldus Fishman.
"In ongeordende systemen versterkt het matchen van elektron-fotonenmomentum de interactie - een aspect dat voorheen alleen werd geassocieerd met hoogenergetische - gamma-fotonen in klassieke Compton-verstrooiing. Uiteindelijk maakt ons onderzoek de weg vrij om conventionele optische spectroscopieën te verbreden buiten hun typische toepassingen in chemische analyse , zoals de traditionele vibrationele Raman-spectroscopie naar het rijk van structurele studies – de informatie die nauw verbonden zou moeten zijn met het fotonmomentum."
Potma voegde eraan toe:"Deze nieuw gerealiseerde eigenschap van licht zal ongetwijfeld een nieuw domein van toepassingen in de opto-elektronica openen. Het fenomeen zal de efficiëntie van apparaten voor de conversie van zonne-energie en lichtgevende materialen vergroten, inclusief materialen die voorheen niet geschikt werden geacht voor lichtemissie. ."