Araştırmacılar, gelen fotonların momentumunu manipüle ederek ışığın madde ile etkileşmesini temelden değiştirebileceklerini gösterdiler. Yaygın olarak kullanılan ve temel bir yarı iletken olan saf silikonun optik özellikleri şaşırtıcı bir şekilde dört boyutlu mertebesinde geliştirilebilir. Bu atılım, güneş enerjisinin dönüşümünü ve optoelektroniklerin genel olarak dönüşümü için büyük vaat taşımaktadır.
Bu çalışmada, ışık-madde etkileşimlerinin, yalnızca malzeme tarafından belirlendiğine dair olan inancı sorgulamaktayız.” diyor Dmitry Fishman. “Işığa yeni özellikler vererek, maddeyle olan etkileşimini yeniden şekillendirebiliriz.”
“Sonuç olarak, mevcutta bulunan veya optik olarak ‘değeri görülmeyen’ malzemeler, mümkün olduğu hiç düşünülmeyen yeteneklere ulaşabilir. Yeni malzemeler tasarlamak yerine, sadece gelen ışığı değiştirerek mevcut malzemelerin özelliklerini geliştiriyoruz.”
Bu fotonik fenomen doğrudan Heisenberg Belirsizlik ilkesinden kaynaklanmaktadır.” diyor Eric Potma. “Momentum artışı o kadar büyük ki, serbest uzay fotonlarını bin kat aşar ve malzemelerdeki elektron momentumlarıyla karşılaştırılabilir hale gelir.”
Kimya profesörü Ara Apkarian, bunu şöyle açıklıyor: “Bu fenomen, ışığın maddeyle etkileşimini temelden değiştiriyor. Ders kitapları da bizlere, malzemenin ışığı emdiğini ve fotonun sadece elektronun enerji durumunu değiştirdiği dikey optik geçişleri öğretiyor.” Bununla birlikte momentumu artırılmış fotonlar, elektronların hem enerji hem de momentum durumlarını değiştirerek yeni geçiş yollarının kilidini açabilir.
Fishman şöyle devam ediyor: “Örneğin, Dünya kabuğunda bol miktarda bulunan ikinci element ve modern elektroniğin belkemiği olan silikon ele alalım.” Yaygın kullanılmasına rağmen silikon, ışığı zayıf bir şekilde emer ve güneş panelleri gibi cihazlardaki verimliliğini uzun süre sınırlar.
Bunun nedeni, silikonun dolaylı bir yarıiletken olması, yani elektronik geçişleri sağlamak için fononlara (örgü titreşimleri) dayanmasıdır. Silikondaki ışık emilim fiziği, bir foton elektronunun enerji durumunu değiştirirken, aynı zamanda elektronun momentum durumunu değiştirmek için fonona ihtiyaç duyulur.
Bir foton, fonon ve elektronun aynı yer ve zamanda etkileşime girme olasılığı düşük olduğundan, silikonun optik özellikleri doğası gereği zayıftır. Bu durum, optoelektronik için zorluk teşkil etmiş ve hatta güneş enerjisi teknolojisindeki ilerlemeyi de yavaşlatmıştır.
Silikonun ışığı absorbe etme kabiliyetinin zayıf olması, bu hücrelerin güneş ışığını etkili şekilde yakalamak için kalın katmanlara ihtiyaç duyduğu anlamına gelir. Bu durum üretim maliyetlerini artırmakla kalmaz, aynı zamanda artan taşıyıcı rekombinasyonu sebebiyle de verimliliği sınırlar.
İnce film güneş pilleri bu zorluklara çözüm olarak görülüyor. Doğrudan bant aralığı yarı iletkenler gibi alternatif malzemeler %20’yi aşan verimliliğe sahip bu pilleri ortaya koymuş olsa da, bu malzemeler genellikle ya hızlı bozulmaya eğimli ya da yüksek üretim maliyetlerine sahiptir.
Apkarian, “Si tabanlı ince film fotovoltaiklerin vaadinin rehberliğinde, araştırmacılar kırk yılı aşkın bir süredir silikonda ışık emilimini artırmanın yollarını arıyorlar.” diye ekledi.
Fishman devam ediyor: “Bizim yaklaşımımız ileriye yönelik radikal bir adım atıyor. Momentumu güçlendirilmiş fotonlar aracılığıyla diyagonal geçişler sağlayarak saf silikonu dolaylı bant aralığı yarı iletkeninden, doğrudan bant aralığı yarı iletkenine etkili bir şekilde dönüştürüyoruz. Ve de malzemenin özünü değiştirmeden. Bu da silikonun ışığı absorbe etme kabiliyetinde dramatik artışa yol açıyor.”
Apkarian, “Nano ölçekte ve ötesinde ışık hapsetmeyle ilişkili geniş yelpazedeki olguları keşfetmeye yeni başlıyoruz. İlgili fizik, temel ve uygulamalı keşifler için potansiyel açısından zengindir.”
Gelişmiş foton momentumu yoluyla silikon doğrudan bant aralıklı bir yarı iletkene dönüştürmek, enerji dönüşümü ve optoelektronikte devrim yaratma potansiyeline sahiptir.
Haber Kaynağı: phys.org/news/2024-09-momentum-pure-silicon-indirect-bandgap.html
Haberi Derleyen: Elif Gül Türkmen-Eskişehir Teknik Üniversitesi – Yüksek Lisans Öğrencisi