تشعشعات ایکس ناحیه جدیدی از ماده را فاش می‌کنند؛ هیبرید نور-ماده قادر به تغییر مقاومت خود است، اسرار بهبود فتوولتاییک را آشکار می‌کند.
به گزارش Spectrum، در یک پیشرفت علمی جدید، محققان گروه Attoscience and Ultrafast Optics در موسسه علوم فوتونیک (ICFO) در بارسلونا، یک فاز جدید از ماده با نام “هیبرید نور-ماده” کشف کرده‌اند. این یافته‌ها، که در مجله Nature Communications منتشر شده، نه تنها یک حالت ماده جدید را نشان می‌دهند بلکه امکانات جدیدی در زمینه‌های فتوولتاییک، الکترونیک با توان بالا و بیشتر را باز می‌کنند. در این هیبرید، خصوصیات ماده تحت تأثیر پالس‌های نور تغییر می‌کند و در یک حالت، مقاومت به نزدیک صفر کاهش می‌یابد.
در این تکنیک، از اسپکتروسکوپی جذب ایکس‌ری آتوثانیه استفاده شده است که به تیم تحقیقاتی ICFO امکان مطالعه رفتار الکترون‌ها را در زمان‌بندی به اندازه یک میلیاردمیلیاردمیلیاردمین ثانیه (آتوثانیه) در معرض تشعشع مادون قرمز قدرتمند می‌دهد. این امر از طریق تکنیک کلاسیک pump-probe انجام شده است، جایی که یک پالس لیزر مادون قرمز الکترون‌ها را به حالت‌های انرژی بالا تحریک می‌کند و سپس یک پرتو ایکس‌ری به توالی توقع‌پذیری زمانی انرژی توزیع الکترون‌های تحریک شده را بررسی می‌کند.
“ما سرعت بازگشت الکترون‌ها از حالت انرژی بالا به حالت پایه را اندازه‌گیری می‌کنیم”، اظهارات ینس بیگرت، فیزیکدان و استاد در ICFO که تیم تحقیقاتی را رهبری می‌کرد. با بررسی در زمان‌های مختلف پس از تحریک، آن‌ها می‌توانند به طور کامل نگاهی به اینکه الکترون‌ها چگونه و زمان بازگشت به حالت‌های پایه خود را بدست آورند. “قدرت نور تفاوت را ایجاد می‌کند چرا که خصوصیات ماده را از طریق الکترون‌ها تغییر می‌دهد.
مواد اصلی مورد استفاده در مطالعه گرافیت بود، که به دلیل خصوصیات پیچیده‌ای که دارد، انتخاب شد. اما بیگرت می‌گوید که تکنیک اندازه‌گیری مورد استفاده یکنواخت است و امکان تعمیم آن به طیف گسترده‌ای از مواد را فراهم می‌کند. تنها شرط لازم حضور یک اتم با یک خط جذب ایکس‌ری در طیف پرتو ایکس‌ری پرس و جو است، که عناصر مانند سیلیکون را به عنوان گزینه‌های قابل بررسی می‌سازد.
مطالعه نشان داد که با تغییر شدن شدت نور مادون قرمز، خصوصیات الکترون‌ها با قدرت تابش مرتبط می‌شوند. این انحراف در رفتار نشان‌دهنده ورود ماده به یک فاز مختصر به نام “هیبرید نور-ماده” بود.
“قدرت نور تفاوت ایجاد می‌کند چرا که خصوصیات ماده را از طریق الکترون‌ها تغییر می‌دهد”، یادداشت بیگرت.
در این حالت، الکترون‌ها مقاومتی با مرتبه‌های کمتر از حالت اصلی خود از خود نشان می‌دهند که به رفتار ابررسانایی شباهت دارد. این تحقیق، با اینکه قابلیت بهره‌مندی از ابررسانایی را فراهم نمی‌کند، می‌تواند به درک بهتر از مکانیسم‌های در حال اجرا در آن کمک کند.
مدت زمانی که این حالت هیبرید نور-ماده قابلیت پایداری دارد یک سوال باز است. اما بیگرت ادعا می‌کند که شواهدی وجود دارد که ایده این را پشتیبانی می‌کند که یک دنباله دقیق و زمان‌بندی شده از پالس‌ها می‌تواند مقیاس زمان را به طور قابل ملاحظه‌ای گسترش دهد.
البته، کوتاه بودن حالت جدید ممکن است بیشترین جذابیت آن باشد. این تکنیک می‌تواند راه‌هایی را برای پیشرفت در مدارهای ادغام فوتونی یا محاسبات نوری باز کند.
“کسی می‌تواند تصور کند که این تغییر سریع را به عنوان یک کلید برای محاسبات استفاده کند”، بیگرت پیشنهاد کرد. “یا تصور کنید یک قطعه الکترونیکی که نه تنها الکترون‌ها عناصر فعّال هستند بلکه مواد نیز تغییر می‌کنند. این ممکن است یک قطعه الکترونیکی را با قابلیت ارائه وظایف مختلف به طور همزمان ممکن سازد.”
بیگرت باور دارد که این تحقیق همچنین ارتباطی با حوزه فتوولتاییک دارد، جایی که درک تعامل دقیق درون مواد برای افزایش کارایی تبدیل ضروری است. “یک مشکل با فتوولتاییک این است که ما واقعاً تعامل دقیق یا کنترل دقیق درون مواد را نمی‌فهمیم”، او گفت. “به عنوان مثال، برای افزایش کارایی یک سلول خورشیدی آلی، واقعاً نمی‌دانیم کدام پارامترها را باید تغییر دهیم.”
به عنوان مثال، جذب فوتون‌ها در یک جامد، انتقال انرژی از زمینه نوری به اتم‌ها را ایجاد می‌کند که در یک ده‌اتوثاند تا پیکوثاند یا حتی بیشتر اتفاق می‌افتد. با این تکنیک، حالا امکان دارد تازه‌وارد شدن انرژی پس از تحریک نوری یک ماده را ردیابی کرد.
