Un gruppo di ricerca guidato da chimici dell'Università della California, Irvine, ha scoperto un modo precedentemente sconosciuto in cui la luce interagisce con la materia, una scoperta che potrebbe portare a sistemi di energia solare migliorati, diodi emettitori di luce, laser a semiconduttore e altri progressi tecnologici. /P>
In un articolo pubblicato di recente sulla rivista ACS Nano , gli scienziati, insieme ai colleghi dell'Università Federale Russa di Kazan, spiegano come hanno appreso che i fotoni possono acquisire una quantità di moto notevole, simile a quella degli elettroni nei materiali solidi, quando confinati in spazi su scala nanometrica nel silicio.
"Il silicio è il secondo elemento più abbondante sulla Terra e costituisce la spina dorsale dell'elettronica moderna. Tuttavia, essendo un semiconduttore indiretto, il suo utilizzo nell'optoelettronica è stato ostacolato dalle scarse proprietà ottiche", ha affermato l'autore senior Dmitry Fishman, professore aggiunto di UC Irvine. chimica.
Ha affermato che mentre il silicio non emette naturalmente luce nella sua forma sfusa, il silicio poroso e nanostrutturato può produrre luce rilevabile dopo essere stato esposto a radiazioni visibili. Gli scienziati sono a conoscenza di questo fenomeno da decenni, ma le origini precise dell'illuminazione sono state oggetto di dibattito.
"Nel 1923, Arthur Compton scoprì che i fotoni gamma possedevano quantità di moto sufficiente per interagire fortemente con gli elettroni liberi o legati. Ciò contribuì a dimostrare che la luce aveva sia proprietà ondulatorie che corpuscolari, una scoperta che portò Compton a ricevere il Premio Nobel per la fisica nel 1927," ha detto Fishman.
"Nei nostri esperimenti, abbiamo dimostrato che la quantità di moto della luce visibile confinata nei cristalli di silicio su scala nanometrica produce un'interazione ottica simile nei semiconduttori."
Per comprendere l’origine dell’interazione è necessario fare un altro viaggio indietro nel tempo, all’inizio del XX secolo. Nel 1928, il fisico indiano C.V. Raman, che vinse il Premio Nobel per la fisica nel 1930, tentò di ripetere l'esperimento Compton con la luce visibile. Tuttavia incontrò un ostacolo formidabile nella sostanziale disparità tra la quantità di moto degli elettroni e quella dei fotoni visibili.
Nonostante questa battuta d'arresto, le indagini di Raman sulla diffusione anelastica nei liquidi e nei gas hanno portato alla rivelazione di quello che oggi è riconosciuto come effetto vibrazionale Raman, e la spettroscopia, un metodo cruciale per gli studi spettroscopici della materia, è diventata nota come diffusione Raman. /P>
"La nostra scoperta del momento fotonico nel silicio disordinato è dovuta a una forma di diffusione Raman elettronica", ha affermato il coautore Eric Potma, professore di chimica alla UC Irvine. "Ma a differenza del Raman vibrazionale convenzionale, il Raman elettronico implica diversi stati iniziali e finali per l'elettrone, un fenomeno precedentemente osservato solo nei metalli."
Per i loro esperimenti, i ricercatori hanno prodotto nel loro laboratorio campioni di vetro al silicio la cui chiarezza variava da amorfo a cristallino. Hanno sottoposto una pellicola di silicio spessa 300 nanometri a un raggio laser a onda continua strettamente focalizzato che è stato scansionato per scrivere una serie di linee rette.
Nelle aree in cui la temperatura non superava i 500 gradi Celsius, la procedura ha portato alla formazione di un vetro reticolato omogeneo. Nelle zone in cui la temperatura superava i 500 C si formava un vetro semiconduttore eterogeneo. Questa "pellicola schiumata di luce" ha permesso ai ricercatori di osservare come le proprietà elettroniche, ottiche e termiche variavano su scala nanometrica.
"Questo lavoro mette alla prova la nostra comprensione dell'interazione tra luce e materia, sottolineando il ruolo critico della quantità di moto dei fotoni", ha affermato Fishman.
"Nei sistemi disordinati, la corrispondenza del momento elettrone-fotone amplifica l'interazione, un aspetto precedentemente associato solo ai fotoni gamma ad alta energia nello scattering Compton classico. In definitiva, la nostra ricerca apre la strada per ampliare le spettroscopie ottiche convenzionali oltre le loro tipiche applicazioni nell'analisi chimica , come la tradizionale spettroscopia Raman vibrazionale nel regno degli studi strutturali, le informazioni che dovrebbero essere intimamente collegate alla quantità di moto dei fotoni."
Potma ha aggiunto:"Questa nuova proprietà della luce aprirà senza dubbio un nuovo regno di applicazioni nell'optoelettronica. Il fenomeno aumenterà l'efficienza dei dispositivi di conversione dell'energia solare e dei materiali che emettono luce, compresi i materiali che in precedenza erano considerati non adatti all'emissione di luce". ."
Ulteriori informazioni: Sergey S. Kharintsev et al, Scattering Raman elettronico abilitato al Photon-Momentum in Silicon Glass, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c12666
Informazioni sul giornale: ACS Nano
Fornito dall'Università della California, Irvine
