سه فیزیکدان از مرکز فوتونیک پیشرفته RIKEN ژاپن کشف کرده‌اند که چگونه لوله‌های کربنی فوق‌نازک، معروف به نانولوله‌های کربنی، به لطف برهمکنشهای فونون و تشکیل اکسایتون‌های تاریک، می‌توانند نوری منتشر کنند که انرژی بیشتری نسبت به نور جذب‌شده دارد. این کشف شگفت‌انگیز می‌تواند راه را برای فناوری‌های جدید در جمع‌آوری انرژی خورشیدی و تصویربرداری بیولوژیکی پیشرفته باز کند.
بیشتر ما با نحوه درخشش برخی مواد زیر نور فرابنفش (UV)، مانند رنگ‌های فلورسنت، آشنا هستیم. اینها نمونه‌های کلاسیک فوتولومینسانس هستند، جایی‌که یک ماده نور UV با انرژی بالا را جذب می‌کند و سپس نور مرئی با انرژی پایین‌تر ساطع می‌کند.
مورد عجیب تبدیل به بالا!
در برخی مواد، عکس اتفاق بالا می‌تواند بیافتد. نور کم‌انرژی را به آنها بتابانید و آنها در عوض نور پرانرژی‌تری ساطع می‌کنند. این فرآیند نادر و خلاف شهود، فوتولومینسانس تبدیل به بالا (UCPL) نامیده می‌شود. این پدیده به دلیل پتانسیل آن در بهبود کارایی سلول‌های خورشیدی با تبدیل نور کم‌انرژی غیرقابل استفاده به نور پرانرژی تولیدکننده الکتریسیته، مورد توجه فزاینده‌ای قرار گرفته است.
در فوتولومینسانس معمولی، نور ورودی یک الکترون را تحریک می‌کند و آن را به سطح انرژی بالاتری می‌برد و یک “حفره” با بار مثبت در جای خود باقی می‌گذارد. الکترون و حفره به طور موقت یک حالت مقید به نام اکسایتون تشکیل می‌دهند. در نهایت، آنها دوباره ترکیب می‌شوند و نور آزاد می‌کنند.
برهمکنشهای فونونی، UCPL را تقویت می‌کنند
در فوتولومینسانس معمولی، اکسایتون انرژی خود را به ماده از دست می‌دهد، و از این رو نور ساطع‌شده انرژی کمتری نسبت به نور ورودی حمل می‌کند. با این حال، در UCPL، اکسایتون با برهمکنش با ارتعاشات موجود در ماده که به عنوان فونون شناخته می‌شوند، یک تقویت انرژی دریافت می‌کند.
اکنون، یوئیچیرو کاتو و دو همکارش، همگی در مرکز فوتونیک پیشرفته RIKEN، دقیقاً نحوه عملکرد UCPL را در نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره—سیلندرهای کربنی شبیه نی نوشیدنی به عرض تنها چند میلیاردم متر—مشخص کرده‌اند.
نظریه‌های قبلی پیشنهاد کرده بودند که UCPL تنها در نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره در صورتی می‌تواند رخ دهد که اکسایتون‌ها به‌طور موقت توسط نقص‌هایی در ساختار نانولوله به دام افتاده باشند. اما محققان دریافتند که UCPL با کارایی بالا حتی در نانولوله‌های بدون نقص نیز رخ می‌دهد، که نشان می‌دهد مکانیسم جایگزینی در کار است.
اکسایتون‌های تاریک: راز انتشار انرژی بالاتر
این سه محقق کشف کردند که وقتی یک الکترون توسط نور تحریک می‌شود، به‌طور همزمان یک تقویت انرژی از یک فونون دریافت می‌کند تا یک حالت “اکسایتون تاریک” تشکیل دهد. اکسایتون پس از از دست دادن کمی انرژی، در نهایت نوری با انرژی بیشتر از لیزر ورودی ساطع می‌کند.
افزایش دما اثر UCPL قوی‌تری ایجاد کرد، که پیش‌بینی‌های مدل آنها را تأیید کرد. کاتو می‌گوید:
فونون‌ها در دماهای بالاتر فراوان‌تر هستند و احتمال انتقال‌های ناشی از فونون را افزایش می‌دهند.
امکانات آینده برای انرژی و خنک‌سازی
محققان قصد دارند امکان خنک کردن یک نانولوله با استفاده از تابش لیزر برای حذف انرژی حرارتی توسط UCPL را بررسی کنند و فرصت‌های برداشت انرژی برای ایجاد یک دستگاه مبتنی بر نانولوله را کاوش کنند.
کاتو می‌گوید:
با ایجاد یک مدل ذاتی از UCPL در نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره، امیدواریم امکانات جدیدی را برای طراحی دستگاه‌های اپتوالکترونیکی و فوتونیکی پیشرفته باز کنیم.
منبع: Scitechdaily
