Исследовательская группа, возглавляемая химиками из Калифорнийского университета в Ирвине, обнаружила ранее неизвестный способ взаимодействия света с материей. Это открытие может привести к улучшению систем солнечной энергии, светодиодов, полупроводниковых лазеров и других технологических достижений.
В статье, опубликованной в журнале ACS Nano, ученые, к которым присоединились коллеги из Казанского федерального университета, объясняют, как они узнали, что фотоны могут приобретать значительный импульс, аналогичный импульсу электронов в твердых материалах, когда они ограничены пространствами нанометрового масштаба. в кремнии.
«Кремний — второй по распространенности элемент на Земле, и он составляет основу современной электроники. Однако, поскольку он является полупроводником непрямого действия, его использованию в оптоэлектронике препятствуют плохие оптические свойства», — сказал старший автор исследования Дмитрий Фишман из Калифорнийского университета.
Он сказал, что, хотя кремний не излучает свет естественным образом в своей объемной форме, пористый и наноструктурированный кремний может производить обнаруживаемый свет после воздействия видимого излучения. Ученые знали об этом явлении на протяжении десятилетий, но точное происхождение свечения было предметом споров.
«В 1923 году Артур Комптон обнаружил, что гамма-фотоны обладают достаточным импульсом, чтобы сильно взаимодействовать со свободными или связанными электронами. Это помогло доказать, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами, и это открытие привело к тому, что Комптон получил Нобелевскую премию по физике в 1927 году», - сказал Фишман. «В наших экспериментах мы показали, что импульс видимого света, заключенный в наноразмерных кристаллах кремния, вызывает аналогичное оптическое взаимодействие в полупроводниках».
Понимание происхождения этого взаимодействия требует еще одного путешествия в начало 20 века. В 1928 году индийский физик К.В. Раман, лауреат Нобелевской премии по физике 1930 года, попытался повторить эксперимент Комптона с видимым светом. Однако он столкнулся с серьезным препятствием в виде существенного несоответствия между импульсом электронов и импульсом видимых фотонов.
Несмотря на эту неудачу, исследования комбинационного рассеяния неупругого рассеяния в жидкостях и газах привели к открытию того, что сейчас называется колебательным комбинационным эффектом, а спектроскопия — важнейший метод спектроскопических исследований вещества — стала известна как комбинационное рассеяние.
«Наше открытие импульса фотона в неупорядоченном кремнии связано с формой электронного комбинационного рассеяния света», — сказал соавтор исследования профессор Эрик Потма из Калифорнийского университета в Ирвайне. «Но в отличие от обычного вибрационного комбинационного рассеяния, электронное комбинационное рассеяние предполагает разные начальные и конечные состояния электрона — явление, которое ранее наблюдалось только в металлах».
Для своих экспериментов исследователи изготовили в своей лаборатории образцы кремниевого стекла, прозрачность которых варьировалась от аморфной до кристаллической. Они подвергли кремниевую пленку толщиной 300 нанометров сильно сфокусированному лучу непрерывного лазера, который сканировался и записывал массив прямых линий.
В районах, где температура не превышала 500 градусов по Цельсию, процедура приводила к образованию однородного сшитого стекла. В областях, где температура превышала 500°С, образовывалось гетерогенное полупроводниковое стекло. Эта «пленка из легкого вспененного материала» позволила исследователям наблюдать, как электронные, оптические и тепловые свойства изменяются в нанометровом масштабе.
«Эта работа бросает вызов нашему пониманию взаимодействия света и материи, подчеркивая решающую роль импульсов фотонов», — сказал Фишман.
«В неупорядоченных системах согласование импульсов электрона и фотона усиливает взаимодействие — аспект, ранее связанный только с гамма-фотонами высокой энергии в классическом комптоновском рассеянии. В конечном итоге наши исследования прокладывают путь к расширению традиционных оптических спектроскопий за пределы их типичных применений в химическом анализе, такие как традиционная колебательная рамановская спектроскопия, в область структурных исследований — информация, которая должна быть тесно связана с импульсом фотона», - добавил Потма. «Это недавно обнаруженное свойство света, без сомнения, откроет новую область применения в оптоэлектронике. Это явление повысит эффективность устройств преобразования солнечной энергии и светоизлучающих материалов, включая материалы, которые ранее считались непригодными для излучения света».
