Ett forskarlag som leds av kemister vid University of California, Irvine, har upptäckt ett tidigare okänt sätt på vilket ljus interagerar med materia, ett fynd som kan leda till förbättrade solenergisystem, ljusemitterande dioder, halvledarlasrar och andra tekniska framsteg.
I en artikel publicerad nyligen i tidskriften ACS Nano , förklarar forskarna, tillsammans med kollegor vid Rysslands Kazan Federal University, hur de lärde sig att fotoner kan få ett betydande momentum, liknande det för elektroner i fasta material, när de är begränsade till nanometerskaliga utrymmen i kisel.
"Kisel är jordens näst vanligaste element, och det utgör ryggraden i modern elektronik. Men eftersom det är en indirekt halvledare har dess användning inom optoelektronik hindrats av dåliga optiska egenskaper", säger seniorförfattaren Dmitry Fishman, adjungerad professor vid UC Irvine i kemi.
Han sa att även om kisel inte naturligt avger ljus i sin bulkform, kan poröst och nanostrukturerat kisel producera detekterbart ljus efter att ha exponerats för synlig strålning. Forskare har varit medvetna om detta fenomen i årtionden, men det exakta ursprunget till belysningen har varit föremål för debatt.
"1923 upptäckte Arthur Compton att gammafotoner hade tillräckligt med rörelsemängd för att starkt interagera med fria eller bundna elektroner. Detta bidrog till att bevisa att ljus hade både våg- och partikelegenskaper, ett fynd som ledde till att Compton fick Nobelpriset i fysik 1927." sa Fishman.
"I våra experiment visade vi att rörelsemängden av synligt ljus begränsat till kiselkristaller i nanoskala producerar en liknande optisk interaktion i halvledare."
En förståelse av ursprunget till interaktionen kräver ytterligare en resa tillbaka till tidigt 1900-tal. 1928, indiska fysikern C.V. Raman, som vann Nobelpriset i fysik 1930, försökte upprepa Compton-experimentet med synligt ljus. Han mötte dock ett enormt hinder i den avsevärda skillnaden mellan elektronernas rörelsemängd och det för synliga fotoner.
Trots detta bakslag ledde Ramans undersökningar av oelastisk spridning i vätskor och gaser till avslöjandet av vad som nu erkänns som den vibrationella Raman-effekten, och spektroskopi – en avgörande metod för spektroskopiska studier av materia – har kommit att kallas Raman-spridning.
"Vår upptäckt av fotonmomentum i oordnat kisel beror på en form av elektronisk Raman-spridning", säger medförfattaren Eric Potma, professor i kemi vid UC Irvine. "Men till skillnad från konventionell vibrationsraman involverar elektronisk Raman olika initiala och slutliga tillstånd för elektronen, ett fenomen som tidigare bara observerats i metaller."
För sina experiment producerade forskarna i sitt laboratorium kiselglasprover som varierade i klarhet från amorf till kristall. De utsatte en 300 nanometer tjock kiselfilm för en hårt fokuserad kontinuerlig våglaserstråle som skannades för att skriva en rad raka linjer.
I områden där temperaturen inte översteg 500 grader Celsius resulterade proceduren i bildandet av ett homogent tvärbundet glas. I områden där temperaturen översteg 500 C bildades ett heterogent halvledarglas. Denna "ljusskummade film" gjorde det möjligt för forskarna att observera hur elektroniska, optiska och termiska egenskaper varierade på nanometerskalan.
"Detta arbete utmanar vår förståelse av ljus och materia interaktion, vilket understryker den kritiska rollen av foton momenta," sa Fishman.
"I oordnade system förstärker elektron-foton-momentummatchning interaktion - en aspekt som tidigare endast förknippades med högenergi-gamma-fotoner i klassisk Compton-spridning. I slutändan banar vår forskning väg för att bredda konventionella optiska spektroskopier bortom deras typiska tillämpningar inom kemisk analys. , såsom traditionell vibrationell Raman-spektroskopi in i strukturstudiernas område – informationen som bör vara intimt kopplad till fotonmomentum."
Potma tillade, "Denna nyförverkligade egenskapen hos ljus kommer utan tvekan att öppna ett nytt område av applikationer inom optoelektronik. Fenomenet kommer att öka effektiviteten hos solenergiomvandlingsanordningar och ljusemitterande material, inklusive material som tidigare ansågs inte lämpliga för ljusemission ."
Mer information: Sergey S. Kharintsev et al, Photon-Momentum-Enabled Electronic Raman Scattering in Silicon Glass, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c12666
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av University of California, Irvine
