Chemiker entdecken eine neue Eigenschaft des Lichts

Chemiker entdecken eine neue Eigenschaft des Lichts
Chemiker entdecken eine neue Eigenschaft des Lichts
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Ein Forschungsteam unter der Leitung von Chemikern der University of California, Irvine, hat eine bisher unbekannte Art und Weise entdeckt, wie Licht mit Materie interagiert.

Nach Ansicht der Autoren könnte diese Erkenntnis zu besseren Solarenergiesystemen, Leuchtdioden, Halbleiterlasern und anderen technologischen Fortschritten führen.

In einem in der Fachzeitschrift ACS Nano veröffentlichten Artikel erklären die Wissenschaftler zusammen mit Kollegen der Kasaner Bundesuniversität in Russland, wie sie herausgefunden haben, dass Photonen einen erheblichen Impuls gewinnen können, ähnlich dem von Elektronen in festen Materialien, wenn sie in nanoskaligen Räumen in Silizium eingeschlossen sind .

„Silizium ist das zweithäufigste Element auf der Erde und bildet das Rückgrat der modernen Elektronik. Als indirekter Halbleiter wurde seine Verwendung in der Optoelektronik jedoch durch schlechte optische Eigenschaften behindert“, sagte der leitende Autor der Studie, Dmitry Fishman. außerordentlicher Professor für Chemie in Irvine.

Er sagte, dass Silizium zwar in seiner Massenform auf natürliche Weise kein Licht emittiert, poröses, nanostrukturiertes Silizium jedoch nachweisbares Licht erzeugen kann, nachdem es sichtbarer Strahlung ausgesetzt wurde. Wissenschaftler kennen dieses Phänomen seit Jahrzehnten, der genaue Ursprung der Beleuchtung ist jedoch umstritten.

„Im Jahr 1923 entdeckte Arthur Compton, dass Gammaphotonen über genügend Impuls verfügen, um stark mit freien oder gebundenen Elektronen zu interagieren. Dies trug dazu bei, zu zeigen, dass Licht sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzt, eine Entdeckung, die dazu führte, dass Compton 1927 den Nobelpreis für Physik erhielt. “sagte Fishman.

„In unseren Experimenten zeigen wir, dass die Ansteuerung von sichtbarem Licht, das auf nanoskalige Siliziumkristalle beschränkt ist, eine ähnliche optische Wechselwirkung in Halbleitern erzeugt.“

Um den Ursprung der Interaktion zu verstehen, muss man bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts zurückgehen. 1928 versuchte der indische Physiker CV Raman, der 1930 den Nobelpreis für Physik erhielt, Comptons Experiment mit sichtbarem Licht zu wiederholen. Allerdings stieß er auf ein gewaltiges Hindernis in der erheblichen Diskrepanz zwischen dem Impuls von Elektronen und dem Impuls sichtbarer Photonen.

Trotz dieses Rückschlags führten Ramans Untersuchungen zur inelastischen Streuung in Flüssigkeiten und Gasen zur Entdeckung dessen, was heute als Schwingungs-Raman-Effekt bekannt ist, und die Spektroskopie, eine entscheidende Methode zur spektroskopischen Untersuchung von Materie, ist als Raman-Streuung bekannt.

„Unsere Entdeckung des Photonenimpulses in ungeordnetem Silizium ist auf eine Form der elektronischen Raman-Streuung zurückzuführen“, sagte Co-Autor Eric Potma, ebenfalls Professor für Chemie in Irvine. „Aber im Gegensatz zum herkömmlichen Schwingungs-Raman beinhaltet das elektronische Raman unterschiedliche Anfangs- und Endzustände für das Elektron, ein Phänomen, das bisher nur bei Metallen beobachtet wurde.“

Für ihre Experimente stellten die Forscher in ihrem Labor Siliziumglasproben her, deren Reinheit von amorph bis kristallin reichte. Sie setzten einen 300 Nanometer dicken Siliziumfilm einem hochfokussierten Dauerstrich-Laserstrahl aus, der gescannt wurde, um eine Reihe gerader Linien zu schreiben.

In Bereichen, in denen die Temperatur 500 Grad Celsius nicht überstieg, führte das Verfahren zur Bildung eines homogenen vernetzten Glases. In Bereichen, in denen die Temperatur 500 °C überstieg, bildete sich ein heterogenes Halbleiterglas. Mithilfe dieses „leichten Schaumfilms“ konnten die Forscher beobachten, wie sich die elektronischen, optischen und thermischen Eigenschaften auf der Nanometerskala verändern.

„Diese Arbeit stellt unser Verständnis der Wechselwirkung von Licht und Materie in Frage und unterstreicht die entscheidende Rolle des Photonenimpulses“, sagte Fishman.

„In ungeordneten Systemen verstärkt die Impulskoinzidenz zwischen Elektronen und Photonen die Wechselwirkung, ein Aspekt, der bisher nur mit hochenergetischen Gammaphotonen in der klassischen Compton-Streuung in Verbindung gebracht wurde. Letztendlich ebnet unsere Forschung den Weg, die konventionelle optische Spektroskopie über ihre typischen Anwendungen in der Chemie hinaus auszudehnen.“ Analyse wie die traditionelle Schwingungs-Raman-Spektroskopie im Bereich der Strukturstudien: die Informationen, die eng mit dem Photonenimpuls verknüpft sein sollten.

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