تابش پرانرژی تر از نور ورودی؛ کشف دانشمندان ژاپنی که همه را شگفت زده کرد

به گزارش روز دوشنبه گروه علمی ایرنا از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، تیمی از پژوهشگران ژاپنی از مرکز فوتونیک پیشرفته RIKEN به سرپرستی «یوئیچیرو کاتو» (Yuichiro Kato) موفق شده اند فرآیند دقیق «فوتولومینسانس بالاتبدیلی» یا UCPL را در نانولوله های کربنی تک جداره شناسایی و توضیح دهند؛ فرآیندی شگفت انگیز که در آن نور خروجی دارای انرژی بیشتری از نور ورودی است امری که برخلاف انتظار و قواعد معمول در پدیده های نوری است.

در پدیده رایج فوتولومینسانس، موادی مانند رنگ های شب تاب با جذب نور فرابنفش (UV) به تلالو در می آیند، اما همیشه نوری با انرژی پایین تر نسبت به نور جذب شده منتشر می شود. اما در UCPL، نور کم انرژی مانند نور مادون قرمز می تواند به ماده ای تابیده شده و آن را وادار به نشر نوری با انرژی بالاتر کند، پدیده ای نادر که اکنون در نانولوله های کربنی تأیید شده است.

در فوتولومینسانس معمول، الکترون با جذب فوتون به سطح بالاتری از انرژی می رود و با حفره ای (بار مثبت) پیوند می سازد که به آن «اکسیتون» می گویند. این اکسیتون نهایتاً با از دست دادن بخشی از انرژی خود، نوری کم انرژی تر منتشر می کند. اما در UCPL، اکسیتون نه تنها از نور بلکه از ارتعاشات درونی ماده یعنی فونون ها نیز انرژی می گیرد. این تعامل باعث تولید نوری پرانرژی تر از نور اولیه می شود.

یافته های تیم تحقیقاتی RIKEN نشان می دهد که حتی در نانولوله های کربنی کاملاً سالم و بدون نقص ساختاری نیز این پدیده با بازده بالا رخ می دهد، برخلاف نظریه های قبلی که UCPL را وابسته به نقص های ساختاری می دانستند.

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

افزایش دما نیز به تقویت این اثر انجامیده، چرا که فوتون ها در دماهای بالاتر فراوان ترند و احتمال انتقال انرژی از آن ها به الکترون ها بیشتر می شود. این نتیجه به خوبی پیش بینی های مدل نظری تیم تحقیقاتی را تأیید می کند.

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

افزون براین، تبدیل نور کم انرژی خورشید به نور پرانرژی قابل استفاده در سلول های خورشیدی، گامی بلند در جهت افزایش بازده این فناوری خواهد بود. نانولوله های کربنی با ویژگی UCPL می توانند در آینده ای نزدیک نقش کلیدی در این حوزه ایفا کنند.

کشف اخیر دانشمندان ژاپنی نه تنها 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 می گوید: «با ارائه مدلی ذاتی برای UCPL در نانولوله های کربنی تک جداره، امیدواریم دروازه هایی نو برای طراحی ابزارهای اپتوالکترونیکی و فوتونیکی آینده باز کنیم.»