Une équipe de recherche dirigée par des chimistes de l’Université de Californie à Irvine a découvert une manière jusqu’alors inconnue d’interagir avec la matière.
Selon les auteurs, cette découverte pourrait conduire à de meilleurs systèmes d’énergie solaire, à des diodes électroluminescentes, à des lasers à semi-conducteurs et à d’autres avancées technologiques.
Dans un article publié dans la revue ACS Nano, les scientifiques, ainsi que leurs collègues de l’Université fédérale de Kazan en Russie, expliquent comment ils ont appris que les photons peuvent acquérir une impulsion substantielle, similaire à celle des électrons dans les matériaux solides, lorsqu’ils sont confinés dans des espaces nanométriques dans le silicium. .
“Le silicium est le deuxième élément le plus abondant sur Terre et constitue l’épine dorsale de l’électronique moderne. Cependant, en tant que semi-conducteur indirect, son utilisation en optoélectronique a été entravée par de mauvaises propriétés optiques”, a déclaré l’auteur principal de l’étude, Dmitry Fishman. professeur agrégé de chimie à Irvine.
Il a déclaré que même si le silicium n’émet pas naturellement de lumière sous sa forme massive, le silicium poreux nanostructuré peut produire une lumière détectable après avoir été exposé à un rayonnement visible. Les scientifiques connaissent ce phénomène depuis des décennies, mais l’origine précise de cet éclairage fait l’objet de débats.
“En 1923, Arthur Compton a découvert que les photons gamma possédaient suffisamment d’impulsion pour interagir fortement avec les électrons libres ou liés. Cela a contribué à démontrer que la lumière avait à la fois des propriétés d’onde et de particule, une découverte qui a valu à Compton de recevoir le prix Nobel de physique en 1927, ” dit Fishman.
“Dans nos expériences, nous montrons que la transmission de la lumière visible confinée aux cristaux de silicium à l’échelle nanométrique produit une interaction optique similaire dans les semi-conducteurs.”
Pour comprendre l’origine de l’interaction, il faut remonter au début du XXe siècle. En 1928, le physicien indien CV Raman, prix Nobel de physique en 1930, tenta de répéter l’expérience de Compton avec la lumière visible. Cependant, il se heurta à un obstacle redoutable : la disparité importante entre l’impulsion des électrons et celle des photons visibles.
Malgré cet échec, les recherches de Raman sur la diffusion inélastique dans les liquides et les gaz ont conduit à la révélation de ce qui est maintenant reconnu comme l’effet Raman vibrationnel, et la spectroscopie, une méthode cruciale pour les études spectroscopiques de la matière, est connue sous le nom de diffusion Raman.
“Notre découverte de l’impulsion photonique dans le silicium désordonné est due à une forme de diffusion Raman électronique”, a déclaré le co-auteur Eric Potma, également professeur de chimie à Irvine. “Mais contrairement au Raman vibrationnel conventionnel, le Raman électronique implique différents états initial et final pour l’électron, un phénomène auparavant observé uniquement dans les métaux.”
Pour leurs expériences, les chercheurs ont produit dans leur laboratoire des échantillons de verre de silicium dont la clarté variait d’amorphe à cristalline. Ils ont soumis un film de silicium de 300 nanomètres d’épaisseur à un faisceau laser à onde continue hautement focalisé qui a été balayé pour écrire une série de lignes droites.
Dans les zones où la température ne dépassait pas 500 degrés Celsius, le procédé a abouti à la formation d’un verre réticulé homogène. Dans les zones où la température dépassait 500 °C, un verre semi-conducteur hétérogène s’est formé. Ce « film de mousse légère » a permis aux chercheurs d’observer comment les propriétés électroniques, optiques et thermiques variaient à l’échelle nanométrique.
“Ce travail remet en question notre compréhension de l’interaction de la lumière et de la matière, soulignant le rôle critique de l’impulsion photonique”, a déclaré Fishman.
“Dans les systèmes désordonnés, la coïncidence de l’impulsion entre les électrons et les photons amplifie l’interaction, un aspect auparavant associé uniquement aux photons gamma de haute énergie dans la diffusion Compton classique. En fin de compte, nos recherches ouvrent la voie à l’extension de la spectroscopie optique conventionnelle au-delà de ses applications typiques en chimie. l’analyse, comme la spectroscopie Raman vibrationnelle traditionnelle dans le domaine des études structurelles : des informations qui doivent être étroitement liées à l’impulsion du photon.
