Químicos de la Universidad de California, Irvine, han descubierto una nueva propiedad de la luz y una forma hasta ahora desconocida en la que la luz interactúa con la materia.
Los científicos han descubierto que cuando los fotones están confinados en nanoporos del silicio, pueden ganar un impulso significativo, similar al de los electrones en los sólidos.
El silicio es la columna vertebral de la electrónica moderna. Sin embargo, al ser un semiconductor indirecto, su uso en optoelectrónica se ha visto obstaculizado por propiedades ópticas deficientes.
Aunque el silicio no emite luz de forma natural, el silicio poroso y el silicio nanoestructurado pueden producir luz observable cuando se exponen a la luz visible. Aunque todavía se discute la causa exacta de la luz, los científicos conocen este fenómeno desde hace décadas.
El autor principal Dmitri Fishman, profesor asistente de química en la Universidad de California, Irvine, dijo: «En 1923, Arthur Compton descubrió que los fotones gamma poseen suficiente impulso para interactuar fuertemente con los electrones libres o ligados. Esto ayudó a demostrar que la luz tiene propiedades tanto de onda como de partícula, un descubrimiento que llevó a Compton a recibir el Premio Nobel de Física en 1927».
En experimentos, los científicos han demostrado que el impulso de la luz visible confinada en nanocristales de silicio produce una interacción óptica similar en los semiconductores.
Este descubrimiento del impulso de los fotones en el silicio desordenado se debe a la dispersión electrónica Raman.
Sin embargo, el Raman electrónico se diferencia del Raman vibratorio convencional en que utiliza distintos estados inicial y final de electrones, un fenómeno que anteriormente solo se observaba en los metales.
Los científicos crearon muestras de vidrio de silicio para experimentos en su laboratorio, y su claridad variaba de amorfa a cristalina. Escribieron un conjunto de líneas rectas en una película de silicio de 300 nanómetros de espesor escaneándola con un rayo láser de onda continua muy enfocado.
Este proceso creó vidrio uniforme y entrelazado en áreas donde la temperatura no superó los 500°C. Cuando la temperatura superó los 500 °C, apareció un vidrio semiconductor heterogéneo. Los investigadores pudieron comprobar cómo cambiaban las propiedades térmicas, ópticas y eléctricas a nanoescala gracias a esta “película de espuma ligera”.
Fishman dijo «Este trabajo desafía nuestra comprensión de la interacción entre la luz y la materia, subrayando el papel fundamental del impulso del fotón».
«En sistemas irregulares, hacer coincidir el momento de los electrones y los fotones amplifica la interacción, un aspecto anteriormente asociado sólo con los fotones gamma de alta energía en la dispersión Compton clásica. En última instancia, nuestra investigación allana el camino para ampliar el alcance de la espectroscopia óptica convencional más allá de sus aplicaciones típicas en análisis químico.» Uno de ellos es la espectroscopía Raman vibratoria convencional en estudios estructurales, información que debería estar estrechamente relacionada con el impulso del fotón.
El coautor Eric Bothma, profesor de química de la Universidad de California, Irvine, Él dijo, “Esta nueva propiedad de la luz sin duda abrirá un nuevo mundo de aplicaciones en el campo de la optoelectrónica. Este fenómeno mejorará la eficiencia de los dispositivos de conversión de energía solar y de los materiales emisores de luz, incluidos aquellos que antes se consideraban inadecuados para emitir luz.
Referencia de la revista:
- sergey s. Kharntsev et al., Dispersión Raman de electrones habilitada por fotones en vidrio de silicio, ACS Nano (2024). Identificación digital: 10.1021/acsnano.3c12666
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