Descoberta propriedade da luz que impactará todas as tecnologias fotônicas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/05/2024

A descoberta abre caminho também para viabilizar as tecnologias fotônicas no silício.
[Imagem: Sergey S. Kharintsev et al. - 10.1021/acsnano.3c12666]

Nova propriedade da luz

Cientistas descobriram uma forma até agora desconhecida de interação entre a luz e a matéria, uma descoberta que pode levar a melhorias nas células solares, LEDs, lasers semicondutores e outros avanços tecnológicos no campo da fotônica.

O fenômeno envolve um ganho substancial de momento - um ganho de força, ou torque - pelos fótons, as partículas fundamentais da luz, quando elas ficam confinadas em espaço nanométricos. É um análogo do que já se sabe acontecer com os elétrons.

"Em 1923, Arthur Compton descobriu que os fótons gama possuíam momento suficiente para interagirem fortemente com elétrons livres ou ligados. Isso ajudou a provar que a luz tinha propriedades tanto de onda quanto de partícula, uma descoberta que levou Compton a receber o Prêmio Nobel de física em 1927. Em nossos experimentos, mostramos que o momento da luz visível confinada em cristais de silício em nanoescala produz uma interação óptica semelhante em semicondutores," disse o professor Dmitry Fishman, que fez a descoberta com colegas da Universidade da Califórnia em Irvine (EUA) e da Universidade Federal Kazan (Rússia).

O impacto da descoberta é significativo porque o silício é a base de toda a eletrônica moderna, mas ele não emite luz naturalmente em sua forma natural, o que tem limitado diversas tecnologias baseadas em luz a materiais mais exóticos e mais caros. Contudo, o silício poroso e nanoestruturado pode produzir luz detectável após ser exposto à radiação visível, só que ninguém sabia a origem dessa emissão. E esse conhecimento é crucial para tirar proveito do fenômeno.

Optoeletrônica

O fenômeno assemelha-se ao espalhamento Compton, mas é observado para luz visível e gerado pelo ganho de momento dos fótons confinados dentro dos domínios nanoestruturados.
[Imagem: Sergey S. Kharintsev et al. - 10.1021/acsnano.3c12666]

Para seus experimentos, os pesquisadores produziram amostras de vidro de silício que variavam em clareza do amorfo ao cristalino. Eles submeteram uma amostra dessas - um filme de silício de 300 nanômetros de espessura - a um feixe de laser de onda contínua bem focado, que foi controlado para traçar uma série de linhas retas.

Em áreas onde a temperatura não ultrapassava 500 ºC, o procedimento resultou na formação de um vidro reticulado homogêneo. Em áreas onde a temperatura ultrapassou 500 ºC, formou-se um vidro semicondutor heterogêneo. Foi esse filme que permitiu aos pesquisadores observar como as propriedades eletrônicas, ópticas e térmicas variavam na escala nanométrica.

"Este trabalho desafia a nossa compreensão da interação entre a luz e a matéria, destacando o papel crítico dos momentos dos fótons," disse Fishman. "Em sistemas desordenados [como o vidro amorfo que a equipe criou], a correspondência de momento elétron-fóton amplifica a interação - um aspecto anteriormente associado apenas a fótons gama de alta energia no espalhamento Compton clássico. Em última análise, nossa pesquisa abre caminho para ampliar as espectroscopias ópticas convencionais além de suas aplicações típicas em análises químicas, como a espectroscopia vibracional Raman tradicional no domínio dos estudos estruturais - a informação que deve estar intimamente ligada ao momento do fóton."

Outra área de impacto imediato é a optoeletrônica. "O fenômeno aumentará a eficiência dos dispositivos de conversão de energia solar e dos materiais emissores de luz, incluindo materiais que anteriormente eram considerados inadequados para a emissão de luz," disse Eric Potman, membro da equipe, referindo-se especificamente ao silício.

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