Вчені RIKEN виявили, як вуглецеві нанотрубки можуть випромінювати світло, енергійніше за те, яке вони поглинають, завдяки фононним взаємодіям та утворенню темних екситонів. Це може прокласти шлях до проривів у сонячній енергетиці та футуристичних фотонних пристроях. Троє фізиків з японського Центру передової фотоніки RIKEN виявили, як надтонкі вуглецеві трубки, відомі як вуглецеві нанотрубки, можуть випромінювати світло, яке переносить більше енергії, ніж світло, яке вони поглинають. Це дивовижне відкриття може прокласти шлях для нових технологій збору сонячної енергії та передової біологічної візуалізації.
Більшість із нас знайомі з тим, як деякі матеріали світяться під впливом ультрафіолетового (УФ) світла, наприклад, флуоресцентні фарби. Це класичні приклади фотолюмінесценції, коли матеріал поглинає високоенергетичне УФ-світло, а потім вивільняє видиме світло з нижчою енергією.
Цікавий випадок апконверсії
Але в деяких матеріалах може відбуватися зворотне. Направте на них низькоенергетичне світло, і вони у відповідь випромінюватимуть світло вищої енергії. Цей рідкісний та нелогічний процес називається фотолюмінесценцією з підвищенням ефективності (UCPL). Він викликає зростаючий інтерес, оскільки може підвищити ефективність сонячних елементів, перетворюючи непридатне для використання низькоенергетичне світло на високоенергетичне світло, що виробляє електроенергію.
У типовій фотолюмінесценції падаючий світло збуджує електрон, піднімаючи його на вищий енергетичний рівень і залишаючи після себе позитивно заряджену «дірку». Електрон і дірка ненадовго утворюють зв’язаний стан, який називається екситоном. Зрештою, вони рекомбінують, вивільняючи світло.
Фононні взаємодії Power Up UCPL
При нормальній фотолюмінесценції екситон втрачає енергію на користь матеріалу, і тому випромінюване світло забирає менше енергії, ніж вхідне світло. Однак при UCPL екситон отримує енергетичний поштовх від матеріалу, взаємодіючи з коливаннями в ньому, відомими як фонони.
Тепер Юічіро Като та двоє його колег з Центру передової фотоніки RIKEN точно визначили, як працює UCPL в одностінних вуглецевих нанотрубках — циліндрах з вуглецю, схожих на соломинку для пиття, шириною лише кілька мільярдних часток метра.
Попередні теорії припускали, що UCPL може виникати в одностінних вуглецевих нанотрубках лише за умови тимчасового захоплення екситонів дефектами в структурі нанотрубки. Але дослідники виявили, що UCPL відбувається з високою ефективністю навіть у бездефектних нанотрубках, що свідчить про дію альтернативного механізму.
Темні екситони: секрет вищих енергетичних викидів
Трійця виявила, що коли електрон збуджується світлом, він отримує одночасне посилення енергії від фонона, утворюючи стан «темного екситона». Втративши трохи енергії, екситон нарешті випромінює світло з більшою енергією, ніж вхідний лазер. Підвищення температури призвело до сильнішого ефекту UCPL, що підтверджує прогнози, зроблені їхньою моделлю. «Фонони більш поширені за вищих температур, що підвищує ймовірність переходів, опосередкованих фононами», — каже Като.
Майбутні можливості для енергетики та охолодження
Дослідники планують вивчити можливість охолодження нанотрубки за допомогою лазерного освітлення для видалення теплової енергії за допомогою UCPL та дослідити можливості збору енергії для створення пристрою на основі нанотрубок.
«Створюючи власну модель UCPL в одностінних вуглецевих нанотрубках, ми сподіваємося відкрити нові можливості для розробки передових оптоелектронних та фотонних пристроїв», — каже Като.