نور چگونه الکترون ها را برانگیخته می کند ؟ سوالی که محققان پاسخ آن را یافتند!

4

ماجرای تقابل نور و ماده جزو اولین پدیده هایی بود که زیربنای کوانتوم را شکل داد. حالا دانشمندان موفق شده اند مکانیسم این برهمکنش جالب را مشاهده کنند. با دیپ لوک همراه باشید…

محققان برای اولین بار در فلزات، پاسخ اولیه ی الکترون های آزاد به نور، یعنی اکسایتون های گذرا را مشاهده کردند. شاید بسیاری از شما اکسایتون را نشناسید، پس بیایید بیشتر با این حالت یا بهتر است بگویم شبه ذره آشنا شویم:

اکسایتون، حالتی مقیدی از الکترون و یک حفره الکترون (نبود الکترون) است که به کمک نیروهای کولنی، جذب یکدیگر می شوند.این شبه ذره ی خنثی در عایق ها و نیمه رساناها و البته بعضی از مایعات وجود دارد. وقتی که یک نیمه رسانا، فوتونی را جذب کند، یک اکسایتون متولد می شود و الکترون از نوار والانس به نوار هدایت می رود (برانگیخته می شود). برای واضح تر شدن گفته های بالا به شکل زیر نگاه کنید. نقاط سیاه نماینده ی شبکه ی کریستالی یک جامد هستند. الکترون با دایره ی قرمز و حفره ی الکترون با دایره ی آبی نمایش داده شده است. به این جفت مقید الکترون و حفره اش، اکسایتون می گوییم. به همین سادگی، به همین خوشمزگی!

اکسایتون در بلور

 

نور چگونه الکترون ها را برانگیخته می کند ؟ سوالی که محققان پاسخ آن را یافتند!

خب حالا برویم سراغ کشف جدید: دانشمندان دریافتند که الکترون های سطح کریستال های نقره می تواند حالت برانگیخته ی خود را بیش از ۱۰۰ بار طولانی تر از فلز توده ای حفظ کنند. مسلماً این زمان طولانی تر، فرصت خوبی برای انجام مشاهدات آزمایشگاهی است. برای این مشاهدات، از تکنیک طیف سنجی همدوس چندبعدی استفاده می شود. مطالعه ی برانگیختگی های فلزات، سرنخ های بسیار خوبی را در مورد چگونگی تبدیل نور به انرژی شیمیایی و الکتریکی در گیاهان و سلول های خورشیدی به ما میدهد. این پژوهش همچنین به ما کمک می کندتا طیف گسترده تری از فلزات مناسب برای ارتباطات نوری را پیدا کنیم.

حالا اجازه دهید به یک پدیده ی ساده و روزمره سر بزنیم: آینه! اگر چه هر کدام از ما روزی چندبار جلوی آینه می ایستیم و خودمان را تماشا می کنیم؛ اما واقعیت این است که این پدیده در عین آشنابودن، بسیار غریب بوده و توصیف مکانیک کوانتومی پشت آن، هنوز ناشناخته است! زمانیکه نور از آینه منعکس می شود، الکترون های آزاد آینه را می لرزاند، در نتیجه الکترون ها شتابدار می شوند. این شتاب الکترونها، باعث ایجاد کپی تقریباً کاملی از نور تابشی می شود که موجب انعکاس می شود. اکسایتون ها یا همان ذرات برهمکنش نور-ماده (زمانیکه فوتون های نور موقتاً با الکترون های ملکول ها و نیمه رساناها درهم تنیده می شوند) نقش مهی را در این پدیده و پدیده های دیگری مثل فتوسنتز و ارتباطات نوری ایفا می کنند. متاسفانه مطالعه و اثبات اینکه اکسایتون ها چگونه در فلزات عمل می کنند، دشوار است. زیرا آنها طول عمر بسیار کمی دارند و نهایتاً حدود ۱۰۰ اتوثانیه عمر می کنند!

مشاهده اکسیتون ها

تصویر بالا به حل معمای آینه کمک می کند. این تصویر مربوط به برهمکنش نور با سطح فلز نقره است. انرژی فوتوالکترون ها را بر حسب زمان تاخیر (تاخیر بین پمپاژهای فمتوثانیه ای یکسان و پالس های کاوش) نشان می دهد. این تصویر از فیلم انرژی فوتوالکترون بر حسب اندازه حرکت در فریمی با تاخیر ۵۰ اتوثانیه گرفته شده است. نوسان هایی که در شدت سیگنال فوتوالکترون می بینید، نشان می دهند که نور چه مدت به شکل اکسایتون به دام افتاده بوده است.  مشاهده ی این حالت برانگیخته به کنترل کوانتومی الکترون ها در فلزات، نیمه رساناها و مواد آلی، کمک بزرگی می کند.

منبع:phys.org

مایلید مقالات دیپ لوک را به محض انتشار دریافت کنید؟ کافیست ایمیل خود را در فیلد زیر وارد کنید[wysija_form id=”1″]

زاده ی اردیبهشت ۶۹ و دانشجوی دکترای شیمی کوانتوم محاسباتی در دانشگاه شهید بهشتی است.او علاقمند به دنیای کوانتوم، تکنولوژی، فوتبال و موسیقی (رپ/راک) بوده و علاوه بر سردبیری دیپ لوک، به طراحی وب و نویسندگی در گجت نیوز، بیگ تم و ماهنامه GB جی اس ام مشغول است.

گفتگو۴ دیدگاه

ارسال نظر


*