전자 유발 발광 강화
새로운 방법은 전자 현미경 및 기타 기술의 핵심인 전자-광자 결합 유형으로부터 빛 방출을 100배 증가시킬 수 있습니다.
날짜:
2023년 1월 4일
원천:
매사추세츠 공과대학
요약:
연구원들은 Smith-Purcell 복사라는 현상에서 빛의 방출을 100배 증가시키는 과정에서 광자와 전자 사이에 훨씬 더 강력한 상호 작용을 생성하는 방법을 발견했습니다. 이 발견은 상업적 응용과 기초 과학 연구 모두에 잠재적인 영향을 미칩니다.
전자가 빛의 광자와 상호 작용하는 방식은 레이저에서 태양 전지판, LED에 이르기까지 많은 현대 기술의 핵심 부분입니다. 그러나 그 상호작용은 규모의 큰 불일치 때문에 본질적으로 약한 것입니다. 가시광선의 파장은 전자보다 약 1,000배 더 크기 때문에 두 가지가 서로 영향을 미치는 방식은 그 차이에 의해 제한됩니다.
이제 MIT와 다른 곳의 연구원들은 Smith-Purcell 복사라는 현상에서 빛의 방출을 100배 증가시키는 과정에서 광자와 전자 사이의 훨씬 더 강력한 상호 작용을 가능하게 하는 혁신적인 방법을 제시했습니다. 이 발견은 상업적 응용과 기초 과학 연구 모두에 잠재적인 영향을 미칠 수 있지만 실용화하려면 더 많은 연구가 필요합니다.
이 발견은 오늘 Nature 저널에 보고되었으며 , MIT 박사후 연구원 Yi Yang(현재 홍콩 대학교 조교수), Charles Roques-Carmes, MIT 교수 Marin Soljačić 및 John Joannopoulos, 그리고 MIT의 다른 5명의 논문에서 보고되었습니다. 하버드 대학교, Technion-Israel Institute of Technology.
컴퓨터 시뮬레이션과 실험실 실험의 조합에서 팀은 나노미터 크기의 구멍 배열로 에칭된 절연체 위의 실리콘 슬래브인 특수 설계된 광결정과 함께 전자 빔을 사용하여 기존의 Smith-Purcell 방사선에서 일반적으로 가능한 것보다 훨씬 더 강력한 방출을 이론적으로 예측합니다. 그들은 또한 개념 증명 측정에서 방사선의 100배 증가를 실험적으로 기록했습니다.
빛이나 다른 전자기 방사선 소스를 생성하는 다른 접근 방식과 달리 자유 전자 기반 방법은 완전히 조정 가능합니다. 즉, 광자 구조의 크기와 전자 속도를 조정하기만 하면 원하는 파장의 방출을 생성할 수 있습니다. 이는 테라헤르츠파, 자외선 및 X선을 포함하여 효율적으로 생성하기 어려운 파장에서 방출원을 만드는 데 특히 유용할 수 있습니다.
연구팀은 지금까지 전자 빔 소스로 기능하도록 용도 변경된 전자 현미경을 사용하여 방출의 100배 향상을 시연했습니다. 그러나 그들은 관련된 기본 원칙이 이 기능에 맞게 특별히 조정된 장치를 사용하여 잠재적으로 훨씬 더 큰 향상을 가능하게 할 수 있다고 말합니다.
이 접근 방식은 플랫밴드(flatbands)라는 개념을 기반으로 하며, 이는 최근 몇 년 동안 응집 물질 물리학 및 포토닉스 분야에서 널리 연구되었지만 광자와 자유 전자의 기본 상호 작용에 영향을 미치는 데 적용한 적은 없습니다. 기본 원리는 전자에서 광자 그룹으로 또는 그 반대로 운동량을 전달하는 것과 관련이 있습니다. 기존의 광-전자 상호 작용이 단일 각도에서 빛을 생성하는 데 의존하는 반면, 광자 결정은 모든 범위의 각도 생성을 가능하게 하는 방식으로 조정됩니다.
동일한 프로세스를 반대 방향으로 사용할 수도 있습니다. 공진 광파를 사용하여 전자를 추진하고 칩에 소형 입자 가속기를 구축하는 데 잠재적으로 활용될 수 있는 방식으로 전자의 속도를 높일 수 있습니다. 이것들은 궁극적으로 스위스에 있는 30km 폭의 대형 강입자 가속기(Large Hadron Collider)와 같이 현재 거대한 지하 터널이 필요한 일부 기능을 수행할 수 있을 것입니다.
Soljačić는 "실제로 칩에 전자 가속기를 구축할 수 있다면 관심 있는 일부 응용 분야를 위해 훨씬 더 작은 가속기를 만들 수 있으며 여전히 매우 에너지가 넘치는 전자를 생성할 수 있습니다. 그것은 분명히 엄청날 것입니다. 많은 응용 분야에서 이렇게 거대한 시설을 지을 필요가 없습니다."
새로운 시스템은 잠재적으로 방사선 치료 목적으로 고도로 제어 가능한 X선 빔을 제공할 수 있다고 Roques-Carmes는 말합니다.
그리고 이 시스템은 양자 기반 계산 및 통신 시스템의 생성에 유용할 수 있는 양자 효과인 다중 얽힌 광자를 생성하는 데 사용될 수 있다고 연구원들은 말합니다. "전자를 사용하여 많은 광자를 함께 결합할 수 있는데, 이는 순전히 광학적 접근 방식을 사용하는 경우 상당히 어려운 문제입니다."라고 Yang은 말합니다. "그것이 우리 작업의 가장 흥미로운 미래 방향 중 하나입니다."
이러한 새로운 발견을 실용적인 장치로 변환하는 데 많은 작업이 남아 있다고 Soljačić는 경고합니다. 광학 및 전자 부품 사이에 필요한 인터페이스를 개발하고 이를 단일 칩에 연결하는 방법과 연속 파면을 생성하는 필요한 온칩 전자 소스를 개발하는 데는 몇 년이 걸릴 수 있습니다.
Roques-Carmes는 "이것이 흥미로운 이유는 이것이 상당히 다른 유형의 소스이기 때문입니다."라고 덧붙입니다. 빛을 생성하는 대부분의 기술은 매우 특정한 범위의 색상 또는 파장으로 제한되며 "일반적으로 해당 방출 주파수를 이동하는 것은 어렵습니다. 여기서는 완전히 조정할 수 있습니다. 단순히 전자의 속도를 변경하면 방출 주파수를 변경할 수 있습니다. . .. 이러한 소스의 잠재력에 대해 우리를 흥분시킵니다. 서로 다르기 때문에 새로운 유형의 기회를 제공합니다."
그러나 Soljačić는 결론을 내립니다. 적어도 일부 지역은 방사능이 있습니다."
출처 : https://www.sciencedaily.com/