Un laser ultraviolet puternic dezvăluie modul în care particulele se mișcă prin diamante

Diamantele sunt eterne și sunt cele mai bune prietene ale unei femei. Dar ele fac parte și dintr-o categorie specială de materiale numite semiconductori cu bandgap ultra-larg. Acești semiconductori sunt considerați esențiali pentru electronica viitorului, deoarece pot gestiona tensiuni mai mari, funcționa la frecvențe mai ridicate și oferi o eficiență superioară față de designurile tradiționale pe bază de siliciu. Totuși, un obstacol major este înțelegerea modului în care sarcinile electrice și căldura se deplasează în diamante. Acum, oamenii de știință au dezvoltat un microscop bazat pe laser care le-a permis să studieze modul în care particulele se mișcă prin diamante la o scară fără precedent.

Diamantele și alte materiale similare sunt transparente în spectrul vizibil și în infraroșu. Pentru a observa modul în care particulele se mișcă prin diamante, a fost necesară utilizarea unei forme mai energice de lumină: lumina ultravioletă.

• O migrație masivă de stele s-a întâmplat în galaxia noastră în urmă cu miliarde de ani
• Cele mai goale locuri din Univers ar putea avea o influență neașteptată

Cercetătorii au trebuit să creeze un laser ultraviolet profund, capabil să genereze modele de căldură la scară nanometrică pe suprafața materialului, fără a-i modifica structura.

Instrumentul creat pentru a vedea cum particulele se mișcă prin diamante

Echipa a început cu un laser în infraroșu apropiat, cu o lungime de undă de 800 de nanometri (chiar la limita spectrului vizibil). Apoi, au trecut lumina prin cristale neliniare pentru a-i modifica energia și a reduce treptat lungimea de undă, până când au obținut lumina ultravioletă profundă de 200 de nanometri. Procesul a implicat numeroase încercări și ajustări pentru a alinia fasciculul de lumină prin trei cristale succesive, până la obținerea rezultatelor dorite.

„Ne-am gândit la un nou experiment care să extindă capacitatea laboratorului nostru de cercetare. Ne-a luat câțiva ani să punem totul la punct în timpul pandemiei, dar odată ce am realizat acest sistem, am putut crea modele la o scară care nu mai fusese atinsă anterior pe o masă de laborator”, a declarat Emma Nelson, autoarea principală a studiului, de la Universitatea din Colorado Boulder (SUA).

Cum a decurs experimentul?

Cercetătorii au utilizat două fascicule de lumină pentru a crea un grilaj de difracție pe suprafața materialului. Datorită lungimii de undă extrem de mici, au reușit să obțină precizia nanometrică necesară pentru observații. Astfel, au putut măsura cum se deplasează căldura, electronii și undele mecanice prin materiale precum aurul și diamantul, verificând rezultatele cu ajutorul simulărilor pe computer, scrie IFL Science.

„Să vedem că experimentul funcționează și că se potrivește cu modelele noastre teoretice a fost atât o ușurare, cât și un moment extrem de emoționant”, a adăugat Nelson.

Echipa a descoperit că, la scară nanometrică, transportul căldurii nu se desfășoară uniform și continuu, ci poate prezenta comportament balistic sau efecte hidrodinamice. Asta înseamnă că energia termică se poate deplasa în linie dreaptă, fără a se împrăștia, similar apei care curge printr-un canal.

În continuare, cercetătorii intenționează să îmbunătățească microscopul laser și să studieze mai multe materiale ce ar putea fi utilizate în electronica de ultimă generație.

Studiul a fost publicat în Physical Review Applied.

Vă recomandăm să citiți și:

SUA au creat cel mai puternic material de armură de până acum

Aurul arată așa cum îl știm datorită unui efect relativist

China testează o armă cu microunde cu o putere asemănătoare unei bombe nucleare

Noi calcule sugerează că ar putea exista un al treilea tip de particule