A fost găsită o nouă proprietate a luminii

Echipa de cercetare condusă de chimiști de la Univeristatea California, Irvine (SUA) a descoperit recent o modalitate anterior necunoscută în care lumina interacționează cu materia; această nouă proprietate a luminii ar putea duce la îmbunătățirea sistemelor de energie solară, a diodelor electroluminiscente, a laserelor semiconductoare și la alte progrese tehnologice.

Într-un studiu publicat în jurnalul ACS Nano, oamenii de știință, alături de colegii lor de la Universitatea Federală din Kazan, Rusia, explică cum au descoperit că fotonii pot obține un impuls substanțial, similar cu cel al electronilor în materiale solide, atunci când sunt închiși în spații de dimensiuni nanometrice în siliciu.

„Siliciul este al doilea cel mai abundent element de pe Pământ și formează scheletul electronicii moderne. Cu toate acestea, fiind un semiconductor indirect, utilizarea sa în optoelectronică a fost împiedicată de proprietățile sale optice slabe”, a declarat Dmitry Fishman, profesor asociat de chimie la UC Irvine și autor al studiului.

Cum a fost descoperită o nouă proprietate a luminii?

El a spus că deși siliciul nu emite natural lumină în forma sa compactă, siliciul poros și nanostructurat poate produce lumină detectabilă după ce a fost expus la radiația vizibilă. Oamenii de știință au conștientizat acest fenomen în urmă cu mai multe decenii, dar originea precisă a iluminării a fost subiect de dezbateri, scrie Phys.org.

„În 1923, Arthur Compton a descoperit că fotonii gamma posedau un impuls suficient pentru a interacționa puternic cu electronii liberi sau legați. Acest lucru a ajutat la demonstrarea faptului că lumina avea atât proprietăți de undă, cât și de particulă, o descoperire care l-a făcut pe Compton să primească Premiul Nobel pentru fizică în 1927”, a spus Fishman.

„În experimentele noastre, am arătat că impulsul luminii vizibile închisă în cristale de siliciu la scară nanometrică produce o interacțiune optică similară în semiconductori”, a continuat profesorul.

Un salt înapoi în timp

Pentru a înțelege cum a ajuns să fie descoperită această nouă proprietate a luminii este necesar un salt înapoi în timp până la începutul secolului al XX-lea. În 1928, fizicianul indian C.V. Raman, care a primit Premiul Nobel pentru fizică în 1930, a încercat să repete experimentul lui Compton cu lumina vizibilă. Cu toate acestea, a întâmpinat un obstacol formidabil în disparitatea semnificativă dintre impulsul electronilor și cel al fotonilor vizibili.

Totuși, investigațiile lui Raman privind dispersia inelastică în lichide și gaze au condus la revelația a ceea ce este acum recunoscut drept efectul vibrațional Raman, iar spectroscopia, o metodă crucială de studiu spectroscopic al materiei, a devenit cunoscută sub numele de dispersia Raman.

„Descoperirea noastră a impulsului fotonului în siliciul dezordonat i se datorează unei forme de dispersie electronică Raman. Dar spre deosebire de dispersia vibrațională  Raman convențională, dispersia electronică Raman implică stări inițiale și finale diferite pentru electron, un fenomen observat anterior doar la metale”, a spus coautorul Eric Potma, profesor de chimie la UC Irvine.

La ce ne va folosi această nouă proprietate a luminii?

Pentru experimentele lor, cercetătorii au produs în laboratorul lor eșantioane de sticlă de siliciu care variau în claritate de la amorf la cristal. Au supus un film de siliciu cu o grosime de 300 de nanometri unui fascicul de lumină laser continuu și focalizat, care a fost scanat pentru a scrie un șir de linii drepte.

În zonele în care temperatura nu a depășit 500 de grade Celsius, procedura a dus la formarea unei sticle omogene și legate transversal. În zonele în care temperatura a depășit 500 de grade Celsius, s-a format o sticlă semiconductoare eterogenă. Acest „film cu spumă de lumină” le-a permis cercetătorilor să observe modul în care proprietățile electronice, optice și termice variază la scara nanometrică.

„Această lucrare pune la încercare înțelegerea interacțiunii dintre lumină și materie, subliniind rolul critic al impulsurilor fotonului”, a spus Fishman.

„În sistemele dezordonate, potrivirea impulsului electron-foton amplifică interacțiunea, un aspect anterior asociat doar cu fotoni de înaltă energie, gamma, în dispersia clasică Compton. În cele din urmă, cercetarea noastră deschide calea pentru a lărgi spectroscopiile optice convenționale dincolo de aplicațiile lor tipice în analiza chimică, cum ar fi spectroscopia vibrațională Raman tradițională, în domeniul studiilor structurale, informație care ar trebui să fie strâns legată de impulsul fotonului”, adaugă cercetătorul.

„Această nouă proprietate a luminii va deschide fără îndoială un nou domeniu de aplicații în optoelectronică. Fenomenul va crește eficiența dispozitivelor de conversie a energiei solare și a materialelor electroluminiscente, inclusiv a materialelor care anterior erau considerate nepotrivite pentru emisii de lumină”, încheie Potma.

Vă recomandăm să citiți și:

Materialul care elimină 96% dintre particulele de virus cu care intră în contact

Un dispozitiv montat direct în sutien ar putea detecta cancerul de sân

Un nou record mondial pentru „Soarele Artificial” al Coreei de Sud!

Cel mai puternic laser din lume se află în România și atinge „un nivel excepțional de performanță”