Elektronų sukeltos šviesos emisijos stiprinimas

Elektronų sąveika su šviesos fotonais yra pagrindinė daugelio šiuolaikinių technologijų dalis – nuo ​​lazerių iki saulės kolektorių iki šviesos diodų. Tačiau sąveika iš esmės yra silpna dėl didelio masto neatitikimo: matomos šviesos bangos ilgis yra maždaug 1000 kartų didesnis nei elektrono, todėl šių dviejų dalykų poveikį vienas kitam riboja šis skirtumas.

Dabar MIT ir kitur mokslininkai sugalvojo naujovišką būdą, kaip padaryti daug stipresnę fotonų ir elektronų sąveiką, o tai šimtą kartų padidina šviesos emisiją dėl reiškinio, vadinamo Smith-Purcell spinduliuote. Šis atradimas gali turėti įtakos tiek komerciniams tikslams, tiek fundamentiniams moksliniams tyrimams, nors prireiks daugiau metų tyrimų, kad jis taptų praktiškas.

Išvados paskelbtos šiandien žurnale GamtaMIT postdocs Yi Yang (dabar Honkongo universiteto docentas) ir Charles Roques-Carmes, MIT profesoriai Marin Soljačić ir John Joannopoulos ir dar penki MIT, Harvardo universiteto ir Technion-Izraelio instituto straipsnyje. Technologijos.

Kompiuterinio modeliavimo ir laboratorinių eksperimentų derinyje komanda nustatė, kad naudojant elektronų pluoštą kartu su specialiai sukurtu fotoniniu kristalu – silicio plokšte ant izoliatoriaus, išgraviruoto nanometrų skalės skylių masyve – jie teoriškai galėtų numatyti. Daugeliu dydžių kategorijų stipresnė emisija, nei įprastai būtų įmanoma naudojant įprastą Smith-Purcell spinduliuotę. Jie taip pat eksperimentiškai užfiksavo šimtą kartų padidėjusį spinduliuotę savo koncepcijos įrodymo matavimuose.

Skirtingai nuo kitų šviesos ar kitos elektromagnetinės spinduliuotės šaltinių gamybos metodų, laisvųjų elektronų metodas yra visiškai suderinamas – jis gali sukelti bet kokio pageidaujamo bangos ilgio emisiją, tiesiog reguliuojant fotoninės struktūros dydį ir elektronų greitį. Tai gali būti ypač vertinga kuriant spinduliuotės šaltinius bangų ilgiuose, kuriuos sunku efektyviai gaminti, įskaitant terahercų bangas, ultravioletinę šviesą ir rentgeno spindulius.

Komanda iki šiol įrodė šimtą kartų padidintą emisiją, naudodama pertvarkytą elektronų mikroskopą, kuris veiktų kaip elektronų pluošto šaltinis. Tačiau jie teigia, kad pagrindinis taikomas principas gali suteikti daug geresnių patobulinimų naudojant įrenginius, specialiai pritaikytus šiai funkcijai.

Šis metodas pagrįstas koncepcija, vadinama plokščiomis juostomis, kurios pastaraisiais metais buvo plačiai ištirtos kondensuotų medžiagų fizikos ir fotonikos srityse, tačiau niekada nebuvo taikomos pagrindinei fotonų ir laisvųjų elektronų sąveikai paveikti. Pagrindinis principas apima impulso perkėlimą iš elektrono į fotonų grupę arba atvirkščiai. Įprastos šviesos ir elektronų sąveikos priklauso nuo šviesos generavimo vienu kampu, o fotoninis kristalas yra sureguliuotas taip, kad jis leidžia sukurti daugybę kampų.

Tas pats procesas taip pat gali būti naudojamas priešinga kryptimi, naudojant rezonansines šviesos bangas elektronams varyti, padidinant jų greitį tokiu būdu, kurį būtų galima panaudoti kuriant miniatiūrinius dalelių greitintuvus ant lusto. Galų gale jie gali atlikti kai kurias funkcijas, kurioms šiuo metu reikalingi milžiniški požeminiai tuneliai, pavyzdžiui, 30 kilometrų pločio Didysis hadronų greitintuvas Šveicarijoje.

„Jei iš tikrųjų galėtumėte sukurti elektronų greitintuvus ant lusto, – sako Soljačić, – kai kurioms dominančioms reikmėms galėtumėte pagaminti daug kompaktiškesnius greitintuvus, kurie vis tiek gamintų labai energingus elektronus. Akivaizdu, kad tai būtų milžiniška. Daugeliui programų jums nereikėtų statyti šių didžiulių įrenginių.

Naujoji sistema taip pat gali suteikti labai kontroliuojamą rentgeno spindulį radioterapijos tikslais, sako Roques-Carmes.

Be to, sistema gali būti naudojama generuojant kelis įsipainiojusius fotonus – kvantinį efektą, kuris galėtų būti naudingas kuriant kvantines skaičiavimo ir ryšių sistemas, teigia mokslininkai. „Galite naudoti elektronus, kad sujungtumėte daug fotonų, o tai yra labai sudėtinga problema, jei naudojate grynai optinį metodą“, – sako Yang. „Tai viena įdomiausių ateities mūsų darbo krypčių.

Soljačić perspėja, kad dar reikia daug dirbti, kad šios naujos išvados būtų paverstos praktiniais prietaisais. Gali prireikti kelerių metų, kol bus sukurtos būtinos sąsajos tarp optinių ir elektroninių komponentų ir kaip juos sujungti viename luste, taip pat sukurti būtiną lusto elektronų šaltinį, sukuriantį nuolatinį bangos frontą, be kitų iššūkių.

Roquesas-Carmesas priduria, kad tai yra jaudinanti priežastis, nes tai yra visiškai kitokio tipo šaltinis. Nors dauguma šviesos generavimo technologijų apsiriboja labai specifiniais spalvų ar bangos ilgių diapazonais, ir „paprastai sunku perkelti tą spinduliavimo dažnį. Čia jis visiškai suderinamas. Tiesiog keisdami elektronų greitį, galite pakeisti emisijos dažnį. … Tai mus jaudina šių šaltinių potencialas. Kadangi jie yra skirtingi, jie siūlo naujų galimybių.

Tačiau Soljačić daro išvadą: „Manau, kad norint, kad jie taptų tikrai konkurencingi kitų tipų šaltiniams, reikės dar keletą metų tyrimų. Sakyčiau, kad įdėjus rimtų pastangų, po dvejų ar penkerių metų jie gali pradėti konkuruoti bent kai kuriose radiacijos srityse.

Tyrimų grupėje taip pat buvo Stevenas Kooi iš MIT karių nanotechnologijų instituto, Haoningas Tangas ir Ericas Mazuras iš Harvardo universiteto, Justinas Berozas iš MIT ir Ido Kamineris iš Technion-Izraelio technologijos instituto. Darbą rėmė JAV armijos tyrimų biuras per Kareivių nanotechnologijų institutą, JAV oro pajėgų mokslinių tyrimų biuras ir JAV karinio jūrų laivyno tyrimų biuras.