Výskumný tím vedený chemikmi na Kalifornskej univerzite v Irvine objavil predtým neznámy spôsob interakcie svetla s hmotou, čo by mohlo viesť k zlepšeniu solárnych systémov, diód vyžarujúcich svetlo, polovodičových laserov a ďalších technologických pokrokov.

Vedci spolu s kolegami z Kazanskej federálnej univerzity vysvetľujú, ako sa dozvedeli, že fotóny môžu získať značnú hybnosť podobnú elektrónov v pevných materiáloch, keď sú obmedzené na priestory v nanometrovom meradle v kremíku.

„Kremík je druhým najrozšírenejším prvkom na Zemi a tvorí chrbticu modernej elektroniky. Keďže ide o nepriamy polovodič, jeho využitiu v optoelektronike bránia slabé optické vlastnosti, “povedal hlavný autor Dmitry Fishman, UC Irvine profesor chémie.

Povedal, že zatiaľ čo kremík prirodzene nevyžaruje svetlo vo svojej objemovej forme, porézny a nanoštruktúrovaný kremík môže po vystavení viditeľnému žiareniu produkovať detekovateľné svetlo. Vedci si tento jav uvedomujú už desaťročia, ale presný pôvod osvetlenia je predmetom diskusie.

„V roku 1923 Arthur Compton zistil, že gama fotóny majú dostatočnú hybnosť na silnú interakciu s voľnými alebo viazanými elektrónmi. To pomohlo dokázať, že svetlo má vlnové aj časticové vlastnosti, čo viedlo k tomu, že Compton dostal v roku 1927 Nobelovu cenu za fyziku,“ povedal Fishman. „V našich experimentoch sme ukázali, že hybnosť viditeľného svetla obmedzená na kremíkové kryštály nanometrov vytvára podobnú optickú interakciu v polovodičoch.“

Pochopenie pôvodu interakcie si vyžaduje ďalší výlet späť do začiatku 20. storočia. V roku 1928 indický fyzik C.V. Raman, ktorý v roku 1930 získal Nobelovu cenu za fyziku, sa pokúsil zopakovať Comptonov experiment s viditeľným svetlom. Narazil však na hrozivú prekážku v podstatnom rozdiele medzi hybnosťou elektrónov a hybnosťou viditeľných fotónov. Napriek tomuto neúspechu viedli Ramanove výskumy nepružného rozptylu v kvapalinách a plynoch k odhaleniu toho, čo sa dnes považuje za vibračný Ramanov efekt, a spektroskopiu – kľúčová metóda spektroskopických štúdií hmoty – stala sa známou ako Ramanov rozptyl.

„Náš objav hybnosti fotónov v neusporiadanom kremíku je spôsobený formou elektronického Ramanovho rozptylu,“ povedal spoluautor Eric Potma, profesor chémie na UC Irvine. „Ale na rozdiel od konvenčného vibračného Ramana, elektronický Raman zahŕňa rôzne počiatočné a konečné stavy elektrónu, jav, ktorý sa predtým pozoroval iba v kovoch.“

Pre svoje experimenty výskumníci vyrobili vo svojom laboratóriu vzorky kremíkového skla, ktorých čistota sa pohybovala od amorfného po kryštál. Silikónový film s hrúbkou 300 nanometrov podrobili laserovému lúču s kontinuálnou vlnou, ktorý bol naskenovaný tak, aby napísal pole priamych čiar. V oblastiach, kde teplota nepresiahla 500 stupňov Celzia, bolo výsledkom postupu vytvorenie homogénneho zosieťovaného skla. V oblastiach, kde teplota presahovala 500 °C, sa vytvorilo heterogénne polovodičové sklo. Tento „svetlom napenený film“ umožnil výskumníkom pozorovať, ako sa elektronické, optické a tepelné vlastnosti menili v nanometrovej škále.

„Táto práca spochybňuje naše chápanie interakcie svetla a hmoty, čo podčiarkuje kritickú úlohu fotónových momentov,“ povedal Fishman. „V neusporiadaných systémoch zosilňuje prispôsobenie hybnosti elektrónu a fotónu interakciu – aspekt, ktorý bol predtým spojený iba s vysokoenergetickými – gama fotónmi v klasickom Comptonovom rozptyle. V konečnom dôsledku náš výskum pripravuje cestu k rozšíreniu konvenčných optických spektroskopií nad rámec ich typických aplikácií v chemickej analýze, ako je tradičná vibračná Ramanova spektroskopia, do oblasti štrukturálnych štúdií – informácií, ktoré by mali byť úzko spojené s fotónovou hybnosťou.

Potma dodal: „Táto novo realizovaná vlastnosť svetla nepochybne otvorí novú oblasť aplikácií v optoelektronike. Tento jav zvýši účinnosť zariadení na premenu slnečnej energie a materiálov vyžarujúcich svetlo vrátane materiálov, ktoré sa predtým považovali za nevhodné na vyžarovanie svetla.

Zdroj: www.nanowerk.com