Πρόσφατα, τυχαία, μια ομάδα επιστημόνων από το Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας στη Λωζάνη της Ελβετίας και το Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Τόκιο, Ιαπωνία, χρησιμοποίησαν υπερταχείς παλμούς λέιζερ από ένα λέιζερ femtosecond για να ακτινοβολήσουν άτομα σε γυαλί τελλουρίτη και ανακάλυψαν την αναφορά σε ένα εκπληκτικό μυστικό.
Τα άτομα γυαλιού τελλουρίτη που ακτινοβολήθηκαν από το λέιζερ φεμτοδευτερόλεπτου αναδιοργανώθηκαν, επιτρέποντας στους επιστήμονες να ανακαλύψουν έναν τρόπο να μετατρέψουν το γυαλί τελουρίτη σε υλικά ημιαγωγών. Γιατί είναι εκπληκτική αυτή η ανακάλυψη; Ο κύριος λόγος είναι ότι όταν τα υλικά ημιαγωγών εκτίθενται στο ηλιακό φως, παράγουν ηλεκτρισμό, πράγμα που σημαίνει ότι στο μέλλον θα είναι δυνατό να μετατραπούν τα παράθυρα στην καθημερινή ζωή των ανθρώπων σε συσκευές συλλογής και ανίχνευσης φωτός ενός υλικού που αναμφίβολα έχουν μεγάλες δυνατότητες.
Η πειραματική ομάδα από το Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας στη Λωζάνη (EPFL), Ελβετία, σκόνταψε στον σχηματισμό ημιαγώγιμων νανοκρυσταλλικών φάσεων τελλουρίου σε γυάλινες επιφάνειες, όταν προσπαθούσαν να κατανοήσουν διαδικασίες αυτο-οργάνωσης στο γυαλί, γεγονός που πυροδότησε την ιδέα της εξερεύνησης πιθανών φωτοαγώγιμες ιδιότητες και συσκευές συλλογής φωτός που σχετίζονται με αυτές.
Οι ερευνητές έκαναν την ανακάλυψη τροποποιώντας το γυαλί και αναλύοντας τα αποτελέσματα με τη βοήθεια γυαλιού τελλουρίτη που παρήχθη από συναδέλφους στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Τόκιο στην Ιαπωνία και ένα λέιζερ femtosecond.
Μετά από χάραξη ενός απλού σχεδίου γραμμών στην επιφάνεια του γυαλιού τελλουρίτη με διάμετρο 1-cm, ανακαλύφθηκε ότι το γυαλί ήταν ικανό να παράγει ηλεκτρικά ρεύματα που διαρκούσαν για μήνες όταν ακτινοβολούνταν στο υπεριώδες και ορατό φάσμα.
Πώς το κάνει λοιπόν ένα λέιζερ femtosecond; Ξεκινά με την αρχή της επεξεργασίας με λέιζερ femtosecond.
Η επεξεργασία με λέιζερ Femtosecond είναι μια προηγμένη τεχνολογία επεξεργασίας που βασίζεται σε μηχανισμό μη γραμμικής απορρόφησης και ιονισμού πολλαπλών φωτονίων. Όταν ένας παλμός φωτός femtosecond εφαρμόζεται στην επιφάνεια ενός υλικού ή στο εσωτερικό ενός διαφανούς υλικού, η περιοχή δράσης του παλμού φωτός είναι εξαιρετικά μικρή λόγω της εξαιρετικά μικρής διάρκειας του παλμού φωτός (επίπεδο femtosecond), ενώ το η ένταση του φωτός είναι εξαιρετικά υψηλή. Σε αυτή την περίπτωση, η ενέργεια του παλμού λέιζερ δεν έχει χρόνο να ταξιδέψει γύρω από το σημείο δράσης, έτσι ώστε η δράση ή η επεξεργασία του παλμού φωτός να τελειώσει σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα.
Αυτός ο εξαιρετικά σύντομος χρόνος δράσης επιτρέπει στην ενέργεια του παλμού λέιζερ να απορροφηθεί από το υλικό κυρίως μέσω μιας διαδικασίας μη γραμμικής απορρόφησης, αντί της συμβατικής γραμμικής απορρόφησης ενέργειας φωτονίων. Λόγω της μη γραμμικής απορρόφησης, η ενέργεια του παλμού λέιζερ δεν συσσωρεύεται από το υλικό με τη μορφή θερμότητας και επομένως η θερμότητα που παράγεται είναι σχεδόν αμελητέα.
Δεδομένου ότι παράγεται πολύ λίγη θερμότητα, δεν υπάρχει ουσιαστικά καμία θερμική ζημιά στο υλικό που υποβάλλεται σε επεξεργασία, κάτι που αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα της επεξεργασίας με λέιζερ femtosecond. Αυτός ο τύπος επεξεργασίας αποφεύγει το φαινόμενο μεταφοράς θερμότητας, με αποτέλεσμα πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια και αποτελέσματα.
Ακριβώς επειδή η επεξεργασία λέιζερ femtosecond πυροδοτεί ένα φαινόμενο εντοπισμένου ιονισμού που προκαλείται από τη διαδικασία απορρόφησης πολυφωτονίων, το οποίο ενισχύεται περαιτέρω από επακόλουθα καταρρακτώδη γεγονότα όπως ο ιονισμός χιονοστιβάδας ή/και σήραγγας.
Με απλά λόγια, όταν η εσωτερική δομή ενός υλικού διαταράσσεται και είναι σε κατάσταση, έχουν δημιουργηθεί οι συνθήκες για φάσεις ανασυνδυασμένου υλικού που είναι πιο σταθερές σε σύγκριση με τις αρχικά υποσταθερές (υαλώδεις ή μη) αντίστοιχές τους.
Στην περίπτωση του γυαλιού τελλουρίτη, καθώς η δομή του αλλάζει με την έκθεση σε ένα λέιζερ femtosecond, σχηματίζονται σπόροι που αποτελούνται από ομάδες ατόμων τελλουρίου και τελικά αναπτύσσονται σε νανοκρυστάλλους τελουρίτη καθώς η γυάλινη φάση διασπάται.
Αρχικά, το υλικό δεν άγει ηλεκτρισμό και δεν μπορεί να συλλέξει φωτόνια, αλλά μόλις μετασχηματιστεί με λέιζερ femtosecond, η τοπική του συμπεριφορά είναι εντελώς διαφορετική.
Αυτό που είναι επίσης εκπληκτικό είναι ότι αυτή η εργασία δεν απαιτεί ποικιλία υλικών για την κατασκευή, αλλά χρησιμοποιεί απλώς το λέιζερ για να τροποποιήσει τοπικά το υλικό έτσι ώστε η αλλοιωμένη περιοχή να συμπεριφέρεται διαφορετικά από το αρχικό υλικό. Το χαμηλό κόστος και η απλότητα της χρήσης ενός λέιζερ το καθιστούν επεκτάσιμο σε οποιοδήποτε τύπο/μέγεθος υποστρώματος, απλώς σαρώνοντας τη δέσμη λέιζερ πάνω από την επιφάνεια του υλικού.
Υπάρχουν ακόμα ζητήματα με την έρευνα που πρέπει να γίνουν κατανοητά σε βάθος, και υπάρχει ακόμη μια διαδικασία που πρέπει να ακολουθηθεί για να βελτιωθεί η απόδοση της συσκευής και να μεταφερθεί η ιδέα από τον πειραματισμό στη βιομηχανική προσγείωση.
Μία από τις μεγάλες προκλήσεις είναι να διασφαλιστεί ότι οι βελτιωμένες περιοχές που απορροφούν το φως είναι επίσης περιοχές αόρατες με γυμνό μάτι, έτσι ώστε το παράθυρο να μπορεί να διατηρήσει τη λειτουργικότητά του ενώ επιτρέπει στους ανθρώπους να βλέπουν καθαρά μέσα από το γυαλί προς τα έξω, διατηρώντας το γυαλί αισθητικά ευχάριστος.
Ωστόσο, σε αυτό το στάδιο, ορισμένες πιθανές εφαρμογές φωτονικής που απαιτούν εργασία όπως η ανίχνευση και ο ποσοτικός προσδιορισμός της παρουσίας φωτός σε συγκεκριμένα μήκη κύματος ή φασματικές περιοχές μπόρεσαν να επωφεληθούν από αυτό.
