Екип изследователи открива неизвестен досега начин, по който светлината взаимодейства с материята, откритие, което може да доведе до подобрени соларни енергийни системи, светоизлъчващи диоди, полупроводникови лазери и други технологични постижения.

През 1923 г. американският физик Артър Комптън установява, че гама или рентгеновите фотони могат да получат достатъчно импулс, за да взаимодействат със свободни или свързани електрони и да предадат част от енергията си на електрона, което доказва, че светлината може да съществува както като вълна, така и като частица. За тпзи ефект, наречен на неговото име Комптън печели през 1927 г. Нобелова награда по физика.

Ако енергията на свързване на електрона е по-голяма от енергията на падащия фотон, тогава електронът не се избива от обвивката и фотонът се разпръсква от целия атом като едно цяло. Нискоенергийните фотони (например във видимия диапазон) се разпръскват почти еластично - такова разсейване се нарича разсейване на Рейли.

През 1928 г. докато се опитва да повтори експеримента на Комптън с видима светлина, индийският физик Чандрасекхара Венката Раман открива вариант на ефекта на Комптън, при който част от фотонната енергия се преобразува в енергията на естествените вибрации на молекулата или обратно. Експериментът на Раман за нееластично разсейване в течности и газове води до предложението за вибрационен ефект на Раман и метод на спектроскопия, който стана известен като Раманово разсейване.

Разбиране на новото свойство на светлината

Наскоро екип от експерти установи, че фотоните могат да получат значителен импулс, когато са ограничени до нанометрови пространства в силиций. Откритието е резултат от съвместни усилия между химици от Калифорнийския университет в Ървайн и учени от руския Казански федерален университет под ръководството на Дмитрий Фишман. Подробностите на изследването са пртедставени в статията "Photon-Momentum-Enabled Electronic Raman Scattering in Silicon Glass" ("Електронно раманово разсейване с активиран фотон-импулс в силициево стъкло").

Силицият е вторият най-разпространен елемент на Земята след кислорода. Въпреки че формира гръбнака на съвременната електроника, силицият е индиректен полупроводник, така че използването му в оптоелектрониката е ограничено от лоши оптични свойства.

Според Фишман, въпреки че силицият естествено не излъчва светлина в обемния си вид, откриваема светлина може да бъде произведена от порест и наноструктуриран силиций при излагане на видима светлина. От десетилетия експертите са наясно с тази възможност, въпреки че точният произход на излъчването все още не е обяснен.

Екипът открива фотонен импулс в неподреден силиций от електронно раманово разсейване. За разлика от традиционния вибрационен раманов ефект, електронният раманов ефект е свързан с различните начални и крайни състояния на електрона. Преди това това явление се е наблюдавало само в метали.

За експериментите учените произвеждат проби от силициево стъкло, вариращи по чистота от аморфно до кристално.

Те подлагат силициев филм с дебелина 300 нанометра (nm) на плътно фокусиран лазерен лъч с непрекъсната вълна така, че да напише масив от прави линии.

В зони, където температурата не надвишава 500 градуса по Целзий, процедурата води до образуването на хомогенно омрежено стъкло.

В области, където температурата надвишава 500 градуса по Целзий, се образува хетерогенно полупроводниково стъкло.

Този леко разпенен филм позволява на учените да наблюдават как електронните, оптичните и топлинните свойства варират в нанометрова скала.

"Тази работа се противопоставя на нашето разбиране за взаимодействието на светлината и материята, подчертавайки критичната роля на фотонните импулси", отбелязва д-р Фишман.

"В неподредени системи съвпадението на импулса на електрон-фотон усилва взаимодействието – аспект, който преди това се свързваше само с високоенергийни гама-фотони в класическото комптъново разсейване."

"В крайна сметка, нашите изследвания проправят пътя за разширяване на конвенционалните оптични спектроскопии отвъд типичните им приложения в химичния анализ, като традиционната вибрационна раманова спектроскопия в сферата на структурните изследвания - информацията, която трябва да бъде тясно свързана с фотонния импулс."

"Това новоосъществено свойство на светлината без съмнение ще отвори ново царство от приложения в оптоелектрониката", коментира професор Ерик Потма (Eric Potma) от Калифорнийския университет в Ървайн..

"Феноменът ще повиши ефективността на устройствата за преобразуване на слънчева енергия и светлоизлъчващите материали, включително материали, които преди са били считани за неподходящи за светлинно излъчване."

Справка: Sergey S. Kharintsev et al. 2024. Photon-Momentum-Enabled Electronic Raman Scattering in Silicon Glass. ACS Nano 18 (13): 9557-9565 https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12666 

Източник: Scientists Discover New Property of Light, News Staff, Sci.News

Още по темата

26/07/2022

Физика

Открит е полупроводник, който работи много по-добре от силиция

10/02/2022

Физика

Полупроводникови нанопроводници - нова основа за свръхбързи транзистори

27/04/2015

Технологии

Нов вид поляризация на светлината увеличава скоростта в оптичните канали

04/03/2015

Физика

Светлината за първи път е заснета като вълна и частица едновременно