El equipo de químicos de la Universidad de California en Irvine ha realizado un descubrimiento apasionante que revela una nueva interacción entre la luz y la materia que se desconocía hasta ahora. Los autores sugieren que este descubrimiento tiene el potencial de mejorar los sistemas de energía solar, los diodos emisores de luz, los láseres semiconductores y otros avances tecnológicos.
En este artículo vamos a contarte cuales el descubrimiento de los científicos sobre una nueva propiedad de la luz.
Nueva propiedad de la luz
Los investigadores, en colaboración con sus homólogos de la Universidad Federal de Kazán en Rusia, detallaron en una publicación reciente en la revista ACS Nano cómo descubrieron que los fotones, cuando están confinados dentro de espacios de escala nanométrica en silicio, pueden adquirir un impulso significativo comparable al de electrones en materiales sólidos.
Según un comunicado del estudio, «el silicio, que es el segundo elemento más frecuente en nuestro planeta y sirve como base de los dispositivos electrónicos contemporáneos, ha enfrentado obstáculos en su aplicación a la optoelectrónica debido a sus características ópticas deficientes». Dmitry Fishman, profesor asociado de química en Irvine, es el autor principal.
Según su declaración, el silicio, en su forma masiva, no posee la capacidad inherente de emitir luz. Sin embargo, cuando se expone a radiación visible, el silicio poroso y nanoestructurado tiene la capacidad de generar luz observable. Este fenómeno ha sido reconocido por los científicos desde hace muchos años, aunque la fuente exacta de la iluminación sigue siendo un tema de controversia.
Fishman explicó que el descubrimiento pionero de Arthur Compton en 1923 reveló que los fotones gamma tenían suficiente impulso para participar en interacciones significativas con los electrones, ya sea que estuvieran libres o ligados. Este hallazgo fundamental proporcionó evidencia de la naturaleza dual de la luz, que abarca características tanto de onda como de partícula. Gracias a ello, Compton recibió el Premio Nobel de Física en 1927.
A través de nuestros experimentos realizados, han demostrado que la manipulación de la luz visible dentro de cristales de silicio a nanoescala da como resultado una interacción óptica dentro de semiconductores que son comparables.
Para comprender el inicio de la interacción, es necesario retroceder hasta principios del siglo XX. Durante este tiempo, C.V. Raman, un renombrado físico de la India que más tarde recibió el Premio Nobel de Física en 1930, intentó replicar el experimento de Compton utilizando luz visible. Sin embargo, se enfrentó a un obstáculo importante: la notable discrepancia entre el momento de los electrones y el de los fotones visibles.
A pesar de enfrentarse a un revés, los estudios de Raman sobre la dispersión inelástica en líquidos y gases dieron como resultado el descubrimiento del efecto vibratorio Raman, que ahora es ampliamente reconocido. Como resultado, la espectroscopia, una técnica vital para estudiar la materia, se conoce comúnmente como dispersión Raman.
Dispersión electrónica Raman
El coautor Eric Potma, que también es profesor de química en Irvine, explicó que la revelación del impulso fotónico en el silicio desordenado puede atribuirse a un tipo de dispersión electrónica Raman. Sin embargo, a diferencia del Raman vibratorio tradicional, el Raman electrónico abarca distintos puntos de inicio y finalización para el electrón, un fenómeno que anteriormente se observaba únicamente en sustancias metálicas.
En su laboratorio, los investigadores crearon muestras de vidrio de silicio con distintos grados de transparencia, desde amorfos hasta cristalinos. Para llevar a cabo sus experimentos, utilizaron una película de silicio de 300 nanómetros de espesor y dirigieron un rayo láser de onda continua enfocado con precisión, que movieron en un movimiento de escaneo para inscribir una secuencia de líneas rectas.
Al someter ciertas regiones a temperaturas inferiores a 500 grados Celsius, se produjo mediante este proceso un material de vidrio reticulado uniforme. Por el contrario, cuando las temperaturas superaban el umbral de 500 C, se formaba un vidrio semiconductor dispar. Esta intrigante «película de espuma ligera» permitió a los científicos examinar meticulosamente las pequeñas fluctuaciones en las características electrónicas, ópticas y térmicas a nanoescala.
Según Fishman, este trabajo en particular presenta un desafío para nuestra comprensión actual de cómo interactúan la luz y la materia, enfatizando el importante papel que desempeña el impulso fotónico en el proceso.
La interacción entre electrones y fotones se intensifica en sistemas caóticos debido a la alineación de sus momentos, un fenómeno que anteriormente se pensaba que solo ocurría con fotones gamma de alta energía en la dispersión Compton clásica. Este descubrimiento innovador abre nuevas posibilidades para ampliar el alcance de la espectroscopia óptica convencional. Va más allá de sus aplicaciones habituales en el análisis químico, como la espectroscopia Raman vibratoria tradicional utilizada en estudios estructurales. Este hallazgo enfatiza la importancia de considerar el impulso de los fotones al examinar la información que transportan.
Luz impresa
Cuando un rayo cae sobre una superficie que carece de curvatura, a su paso queda una inconfundible forma de media luna. Esta observación llevó a los científicos a discernir que los fotones situados en la sección más delantera de la columna de luz en forma de espiral exhibían una rotación alrededor de su núcleo comparativamente más lenta que los fotones colocados en la parte trasera del haz. Este descubrimiento proporciona efectivamente una explicación plausible para este fenómeno en particular.
Un grupo de científicos de diversas instituciones de España y Estados Unidos hicieron una emocionante revelación. Han identificado una característica de la luz hasta ahora desconocida, a la que han denominado «autopar». Esta propiedad se puede comparar con una espiral o hélice alargada, que recuerda a un resorte. Los hallazgos, publicados en la revista Science con el título «Generación de haces ultravioleta extremos con momento angular orbital variable en el tiempo», tienen el potencial de allanar el camino para avances tecnológicos innovadores.
Los científicos pudieron hacer este descubrimiento basándose en experimentos anteriores. Estos experimentos implicaron dirigir dos rayos láser simultáneamente a una nube de gas argón. Al hacer esto, los rayos de luz se vieron obligados a combinarse y formar un haz unificado. Esto llevó a los científicos a darse cuenta de que la luz puede ejercer una cantidad detectable de presión sobre los objetos iluminados. Este principio es el que impulsaría una vela solar a través del espacio.
Espero que con esta información puedan conocer más sobre la nueva propiedad de la luz descubierta por los científicos.