تابش پرانرژی‌تر از نور ورودی؛ کشف دانشمندان ژاپنی که همه را شگفت‌زده کرد

دانشمندان مرکز فوتونیک پیشرفته RIKEN موفق به کشف سازوکار نادری شدند که به نانولوله‌های کربنی امکان می‌دهد نوری با انرژی بیشتر از نور جذب‌شده منتشر کنند؛ پدیده‌ای که می‌تواند راه را برای نسل جدیدی از سلول‌های خورشیدی و دستگاه‌های فوتونیک هموار سازد.

کد خبر: ۸۰۴۶۱۵

تاریخ: ۲۹ ارديبهشت ۱۴۰۴ - ۰۹:۴۶

به گزارش روز دوشنبه گروه علمی ایران اکونومیست از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، تیمی از پژوهشگران ژاپنی از مرکز فوتونیک پیشرفته RIKEN به سرپرستی «یوئیچیرو کاتو» (Yuichiro Kato) موفق شده‌اند فرآیند دقیق «فوتولومینسانس بالاتبدیلی» یا UCPL را در نانولوله‌های کربنی تک‌جداره شناسایی و توضیح دهند؛ فرآیندی شگفت‌انگیز که در آن نور خروجی دارای انرژی بیشتری از نور ورودی است امری که برخلاف انتظار و قواعد معمول در پدیده‌های نوری است.

در پدیده رایج فوتولومینسانس، موادی مانند رنگ‌های شب‌تاب با جذب نور فرابنفش (UV) به تلالو در می‌آیند، اما همیشه نوری با انرژی پایین‌تر نسبت به نور جذب‌شده منتشر می‌شود. اما در UCPL، نور کم‌انرژی مانند نور مادون‌قرمز می‌تواند به ماده‌ای تابیده شده و آن را وادار به نشر نوری با انرژی بالاتر کند، پدیده‌ای نادر که اکنون در نانولوله‌های کربنی تأیید شده است.

در فوتولومینسانس معمول، الکترون با جذب فوتون به سطح بالاتری از انرژی می‌رود و با حفره‌ای (بار مثبت) پیوند می‌سازد که به آن «اکسیتون» می‌گویند. این اکسیتون نهایتاً با از دست دادن بخشی از انرژی خود، نوری کم‌انرژی‌تر منتشر می‌کند. اما در UCPL، اکسیتون نه‌تنها از نور بلکه از ارتعاشات درونی ماده یعنی فونون‌ها نیز انرژی می‌گیرد. این تعامل باعث تولید نوری پرانرژی‌تر از نور اولیه می‌شود.

یافته‌های تیم تحقیقاتی RIKEN نشان می‌دهد که حتی در نانولوله‌های کربنی کاملاً سالم و بدون نقص ساختاری نیز این پدیده با بازده بالا رخ می‌دهد، برخلاف نظریه‌های قبلی که UCPL را وابسته به نقص‌های ساختاری می‌دانستند.

تحقیقات جدید پرده از یک حالت الکترونی موسوم به «اکسیتون تیره» (Dark Exciton) برداشته است. در این حالت، الکترون پس از برانگیختگی، هم‌زمان از یک فوتون نیز انرژی جذب می‌کند و وارد حالتی ناپایدار اما پرانرژی می‌شود. این اکسیتون پس از اندکی افت انرژی، نوری با انرژی بیشتر از فوتون اولیه ساطع می‌کند و این همان راز فوتولومینسانس بالاتبدیلی در نانولوله‌های کربنی است.

افزایش دما نیز به تقویت این اثر انجامیده، چرا که فوتون‌ها در دماهای بالاتر فراوان‌ترند و احتمال انتقال انرژی از آن‌ها به الکترون‌ها بیشتر می‌شود. این نتیجه به‌خوبی پیش‌بینی‌های مدل نظری تیم تحقیقاتی را تأیید می‌کند.

دانشمندان RIKEN امیدوارند که با تعمیم مدل UCPL ذاتی به کاربردهای مهندسی، بتوان از این پدیده در طراحی دستگاه‌های الکترونیکی/ نوری پیشرفته بهره برد. به‌طور خاص، این تیم به دنبال بررسی امکان خنک‌سازی نانولوله‌های کربنی از طریق لیزر هستند؛ فرآیندی که در آن انرژی گرمایی با انتشار نور پرانرژی از سیستم خارج می‌شود، نوعی خنک‌سازی لیزری که تاکنون تنها در مواد خاصی ممکن بوده است.

افزون‌براین، تبدیل نور کم‌انرژی خورشید به نور پرانرژی قابل استفاده در سلول‌های خورشیدی، گامی بلند در جهت افزایش بازده این فناوری خواهد بود. نانولوله‌های کربنی با ویژگی UCPL می‌توانند در آینده‌ای نزدیک نقش کلیدی در این حوزه ایفا کنند.

کشف اخیر دانشمندان ژاپنی نه‌تنها پاسخی به یک پرسش بنیادی در فیزیک نوری است، بلکه افقی تازه برای نوآوری در انرژی، تصویربرداری زیستی، و فوتونیک گشوده است. یوئیچیرو کاتو در پایان می‌گوید: «با ارائه مدلی ذاتی برای UCPL در نانولوله‌های کربنی تک‌جداره، امیدواریم دروازه‌هایی نو برای طراحی ابزارهای اپتوالکترونیکی و فوتونیکی آینده باز کنیم.»