اكتشف العلماء خاصية جديدة للضوء

توصل فريق الكيميائيين في جامعة كاليفورنيا في إيرفاين إلى اكتشاف مثير يكشف عن تفاعل جديد بين الضوء والمادة لم يكن معروفا حتى الآن. ويشير المؤلفون إلى أن هذا الاكتشاف لديه القدرة على تحسين أنظمة الطاقة الشمسية، والثنائيات الباعثة للضوء، وأشعة الليزر شبه الموصلة وغيرها من التطورات التكنولوجية.

في هذه المقالة سوف نخبرك بما اكتشفه العلماء حول أ خاصية جديدة للضوء.

خاصية جديدة للضوء

قام الباحثون، بالتعاون مع نظرائهم في جامعة كازان الفيدرالية في روسيا، بالتفصيل في منشور حديث في مجلة ACS Nano كيف اكتشفوا أن الفوتونات، عندما تكون محصورة داخل مساحات بمقياس نانومتر في السيليكون، ويمكنها أن تكتسب زخمًا كبيرًا يضاهي زخم الإلكترونات الموجودة في المواد الصلبة.

وبحسب بيان من الدراسة، فإن "السيليكون، وهو العنصر الثاني الأكثر انتشارا على كوكبنا ويعمل كأساس للأجهزة الإلكترونية المعاصرة، واجه عقبات في تطبيقه على الإلكترونيات الضوئية بسبب خصائصه البصرية الضعيفة". ديمتري فيشمان، أستاذ الكيمياء المساعد في جامعة إيرفين، هو المؤلف الرئيسي.

ووفقا لتصريحه، فإن السيليكون، في شكله الضخم، ليس لديها القدرة الكامنة على انبعاث الضوء. ومع ذلك، عند تعرضه للإشعاع المرئي، فإن السيليكون المسامي ذو البنية النانوية لديه القدرة على توليد ضوء يمكن ملاحظته. وقد اعترف العلماء بهذه الظاهرة لسنوات عديدة، على الرغم من أن المصدر الدقيق للإضاءة لا يزال موضع جدل.

وأوضح فيشمان أن اكتشاف آرثر كومبتون الرائد في عام 1923 كشف أن فوتونات جاما لديها ما يكفي من الزخم للانخراط في تفاعلات كبيرة مع الإلكترونات، سواء كانت حرة أو مقيدة. قدمت هذه النتيجة الأساسية دليلاً على الطبيعة المزدوجة للضوء، والتي تشمل خصائص الموجة والجسيمات. بفضل ذلك، حصل كومبتون على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1927..

من خلال تجاربنا التي أجريت، أظهروا أن التلاعب بالضوء المرئي داخل بلورات السيليكون النانوية يؤدي إلى تفاعل بصري داخل أشباه الموصلات القابلة للمقارنة.

لفهم بداية التفاعل، فمن الضروري العودة إلى بداية القرن العشرين. خلال هذا الوقت، حاول سي.في رامان، عالم الفيزياء الهندي الشهير الذي حصل لاحقًا على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1930، تكرار تجربة كومبتون باستخدام الضوء المرئي. ومع ذلك، فقد واجه عقبة كبيرة: التناقض الملحوظ بين زخم الإلكترونات وزخم الفوتونات المرئية.

على الرغم من النكسة التي واجهها، أدت دراسات رامان حول التشتت غير المرن في السوائل والغازات إلى اكتشاف تأثير رامان الاهتزازي، والذي أصبح الآن معترفًا به على نطاق واسع. ونتيجة لذلك، يُعرف التحليل الطيفي، وهو تقنية حيوية لدراسة المادة، باسم تشتت رامان.

تشتت رامان للإلكترون

وأوضح المؤلف المشارك إريك بوتما، وهو أيضًا أستاذ الكيمياء في إيرفين، أن الكشف عن الزخم الضوئي في السيليكون المضطرب يمكن أن يعزى إلى نوع من تشتت رامان الإلكتروني. ومع ذلك، على عكس رامان الاهتزازي التقليدي، يشمل إلكترون رامان نقاط بداية ونهاية مختلفة للإلكترونوهي ظاهرة لم تتم ملاحظتها سابقًا إلا في المواد المعدنية.

في مختبرهم، أنشأ الباحثون عينات من زجاج السيليكون بدرجات متفاوتة من الشفافية، من غير المتبلور إلى البلورية. ولتنفيذ تجاربهم، استخدموا فيلمًا من السيليكون يبلغ سمكه 300 نانومتر، ووجهوا شعاع ليزر ذو موجة مستمرة مركَّزة بدقة، وقاموا بتحريكه في حركة المسح لتسجيل سلسلة من الخطوط المستقيمة.

عند التقديم في مناطق معينة عند درجات حرارة أقل من 500 درجة مئوية، تم إنتاج مادة زجاجية موحدة ومترابطة من خلال هذه العملية. على العكس من ذلك، عندما تجاوزت درجات الحرارة عتبة 500 درجة مئوية، تم تشكيل زجاج أشباه الموصلات المتباين. سمح هذا "الفيلم الرغوي الخفيف" المثير للعلماء بفحص التقلبات الصغيرة بدقة في الخصائص الإلكترونية والبصرية والحرارية على المستوى النانوي.

وفقًا لفيشمان، يمثل هذا العمل تحديدًا تحديًا لفهمنا الحالي لكيفية تفاعل الضوء والمادة. مع التأكيد على الدور الهام الذي يلعبه الزخم الضوئي في هذه العملية.

يتم تكثيف التفاعل بين الإلكترونات والفوتونات في الأنظمة الفوضوية بسبب محاذاة لحظاتها، وهي ظاهرة كان يعتقد سابقًا أنها تحدث فقط مع فوتونات جاما عالية الطاقة في تشتت كومبتون الكلاسيكي. يفتح هذا الاكتشاف الرائد إمكانيات جديدة لتوسيع نطاق التحليل الطيفي البصري التقليدي. فهو يتجاوز تطبيقاته المعتادة في التحليل الكيميائي، مثل مطيافية رامان الاهتزازية التقليدية المستخدمة في الدراسات الهيكلية. تؤكد هذه النتيجة على أهمية أخذ زخم الفوتونات في الاعتبار عند فحص المعلومات التي تحملها.

ضوء مطبوع

عندما يضرب البرق سطحًا يفتقر إلى الانحناء، فإنه يترك شكل هلال لا لبس فيه. قادت هذه الملاحظة العلماء إلى اكتشاف أن الفوتونات الموجودة في الجزء الأمامي من عمود الضوء الحلزوني الشكل أظهرت دورانًا حول جوهرها أبطأ نسبيا من الفوتونات الموضوعة في الجزء الخلفي من الشعاع. يوفر هذا الاكتشاف تفسيرا معقولا لهذه الظاهرة بالذات.

توصلت مجموعة من العلماء من مؤسسات مختلفة في إسبانيا والولايات المتحدة إلى اكتشاف مثير. لقد حددوا خاصية غير معروفة حتى الآن للضوء، والتي أطلقوا عليها اسم "الإزدواج التلقائي". يمكن مقارنة هذه الخاصية بالدوامة أو الحلزون الممدود الذي يذكرنا بالربيع. النتائج، التي نشرت في مجلة ساينس تحت عنوان "توليد أشعة فوق بنفسجية متطرفة مع زخم زاوي مداري متغير بمرور الوقت"، لديها القدرة على تمهيد الطريق للتقدم التكنولوجي الرائد.

وتمكن العلماء من تحقيق هذا الاكتشاف بناءً على تجارب سابقة. هذه التجارب تتضمن توجيه شعاعي ليزر في وقت واحد إلى سحابة من غاز الأرجون. ومن خلال القيام بذلك، اضطرت أشعة الضوء إلى الاتحاد وتشكيل شعاع موحد. وقد دفع هذا العلماء إلى إدراك أن الضوء يمكن أن يمارس قدرًا ملحوظًا من الضغط على الأجسام المضيئة. هذا المبدأ هو ما من شأنه أن يدفع الشراع الشمسي عبر الفضاء.

آمل أن تتمكن من خلال هذه المعلومات من معرفة المزيد عن الخاصية الجديدة للضوء التي اكتشفها العلماء.