شناخت انتشار نور نانومقیاس

محققانی از آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر در کلورادو، نشان داده‌اند که اندرکنش‌های
مبادله‌ای الکترون ـ حفره در نقاط کوانتومی به اندازه‌ی ماده‌ی نیمه‌رسانا که
سازنده‌ی این نقاط است، وابسته هستند. نتایج به دست‌آمده علاوه‌ بر اینکه بر روی
درک ما از منشأ چنین اندرکنش‌هایی اثر می‌گذارد، پیشنهاد می‌کند که خصوصیات نوری
نانوذرات ممکن است از طریق تغییر ساده‌ی اندازه‌ی آنها همانند ترکیبشان، اصلاح گردد.

نقاط کوانتومی نیمه‌رسانا، تکه‌های بسیار کوچکی از ماده‌ی نیمه‌رسانا هستند که شامل
تنها چندصد یا چندهزار اتم هستند. از این این نقاط می‌توان به‌منظور ساخت نسل جدیدی
از ابزارهای اپتوالکترونیکی نظیر LEDهای نقطه‌ی کوانتومی و لیزرهای نقطه‌ی کوانتومی‌ای
استفاده کرد که می‌توانند روزی جایگزین تمام چشمه‌های نوری کنونی گردند.
حالات‌ تاریک و روشن
خصوصیات نوری نقاط کوانتومی، به‌عنوان مثال قابلیت آنها برای انتشار نور مرئی در
دمای اتاق از طریق اندرکنش‌های مبادله‌ای الکترون ـ حفره کنترل می‌گردد. این
اندرکنش‌‌های مکانیکی کوانتومی، حالت‌های برانگیخته‌ی الکترونیکی نقطه‌ی کوانتومی
را به حالات «تاریک» و «روشن» تفکیک می‌کنند. اگر این اندرکنش مبادله‌ای بسیار بزرگ
باشد نقاط در حالت تاریک ـ که در آن نور تابش نمی‌کنند ـ باقی می‌مانند.
هم‌اکنون آلکس زونگر و همکارانش نشان داده‌اند که چگونه این اندرکنش مبادله‌ای به
ساختار الکترونیکی ماده‌ی نیمه‌رسانای نقطه‌ی کوانتومی وابسته است. این محققان
محاسبه نمودند که نقاطِ ساخته‌شده از یک نیمه‌رسانای باندگپ مستقیم (همانند lnAs )
دارای دو نوع اندرکنش مبادله‌ای بلندبرد و کوتاه‌برد هستند؛ در حالی که نقاط ساخته‌شده
از یک نیمه‌رسانای گپ غیر مستقیم (همانند سیلیکون) تنها دارای اندرکنش‌های کوتاه‌برد
هستند.
اصلاح خصوصیات نوری نانوذرات
این نتیجه از یک دیدگاه بنیادی مهم است؛ زیرا منشأ اندرکنش‌های مبادله‌ای الکترون ـ
حفره را آشکار کرده، به توضیح نحوه‌ی انتشار نور در این مواد در نانومقیاس کمک می‌کند.
همچنین این محاسبات پیشنهاد می‌کنند که می‌توان خصوصیات نوری نانوذرات را تنها از
طریق اندازه‌ی آنها اصلاح نمود. یکی از اعضای این گروه به نام آلبرتو فرانسچتی گفت:
«ما پیش‌بینی می‌کنیم که انواع مشخصی از نیمه‌رساناهای گپ مستقیم نظیر GaAs، با
رفتن به نانومقیاس می‌توانند ماهیت الکترونیکی خود را تغییر داده، به‌صورت گپ غیر
مستقیم دربیایند. در چنین موردی محاسبات ما پیشنهاد می‌کنند که خصوصیات نوری به
شکلی بسیار غیر عادی و غیر یکنواخت به اندازه، وابسته هستند. »
این گروه نتایج خود را با استفاده از برخی محاسبات مکانیک کوانتومی اتمی به دست
آوردند که در ابررایانه‌های بزرگ انجام گرفت. آنها اندرکنش‌های بین الکترون‌ها و
حفره‌ها را با استفاده از توابع موج پتانسیل مجازی محاسبه نمودند که جایگزینی حامل‌های
بار در نقطه‌ی کوانتومی را دقیقاً مشخص می‌کنند.
نتایج این تحقیق در نشریه‌ی Nano Letters به چاپ رسیده‌است.