Հոկտեմբերի 28-ի ուսումնասիրությունը չափել է այդ համադրությունը բարակ թաղանթներում և առաջարկել էլեկտրոնային կառուցվածք, որը կարող է ուղղորդել արևային էներգիայի համար նյութերի որոնումը։
Հետազոտողները բիսմութի սուլֆիդի (Bi2S3) բարակ թաղանթներում անսովոր համադրություն են չափել․ նյութն ուժեղ կլանում է լույսը, իսկ էլեկտրոնների և խոռոչների ներքին ռեկոմբինացիան ավելի դանդաղ է, քան սովորական ուղղակի կիսահաղորդիչներում։ 2026 թվականի հոկտեմբերի 28-ին Nature-ում հրապարակված ուսումնասիրության հեղինակներն առաջարկում են արդյունքը բացատրել իրար մոտ գտնվող էլեկտրոնային վիճակներով։ Նրանք նկարագրում են արևային էներգիայի համար ներուժ ունեցող ֆիզիկական մեխանիզմ, այլ ոչ թե բարելավված աշխատող արևային մարտկոց։
Արևի լույսն էլեկտրոններին էներգիա է հաղորդում, որպեսզի դրանք շարժվեն կիսահաղորդչի միջով՝ իրենց հետևում թողնելով դրական լիցքավորված թափուր տեղեր, որոնք կոչվում են խոռոչներ։ Արևային մարտկոցները պետք է հավաքեն այս շարժուն լիցքերը, նախքան էլեկտրոնները կվերամիավորվեն խոռոչների հետ։ Ուստի ռեկոմբինացիան մրցակցում է էլեկտրականության արտադրության հետ։ Խնդիրն այն է, որ էլեկտրոնային հատկությունները, որոնց շնորհիվ շատ նյութեր ուժեղ կլանում են լույսը, նաև արագացնում են լիցքերի կորստի այս ներքին գործընթացը։
Նախորդ ուսումնասիրությունները հակասական եզրակացություններ էին տվել այն մասին, թե բիսմութի սուլֆիդի արգելված գոտին ուղղակի՞ է, թե՞ անուղղակի։ Դա էներգետիկ այն միջակայքն է, որն էլեկտրոնը պետք է հաղթահարի շարժուն դառնալու համար։ Ուղղակի անցման դեպքում, ինչպես գալիումի արսենիդում, էլեկտրոնի և խոռոչի համապատասխան վիճակների բյուրեղային իմպուլսները համընկնում են, ինչը թույլ է տալիս կլանել և արձակել լույս՝ առանց իմպուլսի փոխանցման լրացուցիչ քայլի։ Անուղղակի անցմանը սովորաբար անհրաժեշտ է բյուրեղի տատանման՝ ֆոնոնի օգնությունը։ Այդ լրացուցիչ քայլը թուլացնում է կլանումը և դանդաղեցնում լույս արձակող ռեկոմբինացիան։
Հեղինակների հաշվարկներով՝ բիսմութի սուլֆիդի ամենացածր էներգիայով անուղղակի անցման էներգիան ավելի ցածր է, քան ամենացածր էներգիայով ուղղակի անցմանը, իսկ տարբերությունը 40 միլիէլեկտրոնվոլտից (meV) փոքր է։ Նրանք այդ տարբերությունը նկարագրում են որպես ընդամենը մի քանի անգամ մեծ kBT-ից՝ ջերմաստիճանով որոշվող ջերմային էներգիայի սանդղակից։ Առաջարկվող կառուցվածքում ուղղակի անցումները թույլ են տալիս ուժեղ կլանել լույսը, մինչդեռ լիցքերը վերաբաշխվում են մոտակայքում գտնվող՝ ավելի ցածր էներգիայով անուղղակի վիճակներում։ Այդ վիճակները գործում են որպես ժամանակավոր պահեստ, որտեղից ռեկոմբինացիան ավելի քիչ հավանական է։
ԱՄՆ առողջապահության ազգային ինստիտուտների և ՆԱՍԱ-ի մրցույթը նպատակ ունի բարելավել դեղերի անվտանգության լաբորատոր մոդելներում չափումները․ հայտերի ընդունումը նախատեսվում է սկսել 2026 թ․ դեկտեմբերի 15-ին։
2 րոպե
Հեղինակները բիսմութի սուլֆիդն առաջարկում են որպես առաջին թեկնածու կիսահաղորդիչների նոր՝ «կեղծ ուղղակի» անվանած կատեգորիայի համար։ Նրանց հաշվարկներում ուղղակի և անուղղակի բնույթի այս համադրությունը պահպանվում է հաշվարկային մի քանի մոտեցումների դեպքում։ Ե՛վ կատեգորիան, և՛ առաջին թեկնածուի մասին պնդումն ապացույցների հեղինակային մեկնաբանությունն են։
Այս փոխզիջման հիմքում Գուստավ Կիրխհոֆի՝ 1860 թվականին ձևակերպած կլանման և ճառագայթման սկզբունքն է։ Կիսահաղորդիչներում վան Ռոսբրոքի–Շոքլիի առնչությունը կապում է կլանումը ճառագայթային ռեկոմբինացիայի հետ, որի ընթացքում էլեկտրոնն ու խոռոչը վերամիավորվում են և լույս արձակում։ Աշխատության համաձայն՝ խիստ կապը գործում է, երբ երկու գործընթացներն էլ ներառում են նույն էլեկտրոնային վիճակը։ Առաջարկվող մեխանիզմն առանձնացնում է դրանց գերակշռող վիճակները, ուստի հեղինակները խոսում են սովորական սահմանափակումը շրջանցելու, այլ ոչ թե Պլանկի օրենքը խախտելու մասին։
Հետազոտողները թաղանթները ստացել են՝ տաքացնելով բիսմութի սուլֆիդի փոշին, մինչև այն գոլորշիանա և նստի քվարցի վրա։ Նրանք գերկարճ լազերային իմպուլսներով ստեղծել են շարժուն լիցքեր, ապա հետևել դրանց անհետացմանը՝ տերահերցային և միլիմետրային ալիքների տիրույթում հաղորդականության չափումների, ինչպես նաև թաղանթների արձակած լույսի միջոցով։ Ջերմաստիճանից կախված չափումներն իրականացվել են սենյակային ջերմաստիճանից մինչև 4 կելվին՝ բացարձակ զրոյից մի փոքր բարձր ջերմաստիճանում։
Համագործակցությանը մասնակցել են Օքսֆորդի և Ուհանի համալսարանները, հայտնել է Tech Xplore-ը։ Էլեկտրոնային կառուցվածքի հաշվարկներն իրականացրել է Մարինա Ռ․ Ֆիլիպի՝ Օքսֆորդի ֆիզիկոսների խումբը։
Սենյակային ջերմաստիճանում թաղանթների՝ տեսանելի լույսի կլանման գործակիցը գերազանցել է 100 000 cm−1-ը։ Այն ցույց է տալիս, թե որքան ուժեղ է լույսը կլանվում տվյալ հեռավորության վրա։ Լիցքերի նվազման չափումներին մոդելը համապատասխանեցնելով՝ ստացել են երկմոլեկուլային ռեկոմբինացիայի մոտավորապես 5 × 10−11 cm3 s−1 գործակից՝ k2։ Այն նկարագրում է էլեկտրոնների և խոռոչների կորուստները, որոնք կախված են երկու տեսակի լիցքերի խտությունից․ գործակիցն ինքնին լիցքակրի կյանքի տևողությունը չէ։ Աշխատությունում այն համեմատվում է ավելի վաղ գիտական գրականության մեջ ներկայացված արժեքների հետ։
| Նյութ | Մոտավոր k2 (cm3 s−1) | Հիմք |
|---|---|---|
| Բիսմութի սուլֆիդ | 5 × 10−11 | Այս ուսումնասիրությունում սենյակային ջերմաստիճանի չափումներին մոդելի համապատասխանեցում |
| Գալիումի արսենիդ | 10−10 | Հեղինակների վկայակոչած գրականության արժեք |
| Կապար-հալոգենային պերովսկիտներ | 10−9 | Հեղինակների վկայակոչած գրականության արժեք |
Այս ներքին գործընթացն արատներով պայմանավորված կորուստներից տարբերելու համար հետազոտողները փոխել են մակերեսի միավորին հաղորդվող լազերային էներգիան։ Ավելի ուժեղ գրգռումը կարճ ժամանակահատվածներում հանգեցրել է լիցքերի ավելի արագ նվազման, ինչը երկմոլեկուլային ռեկոմբինացիայի բնորոշ հատկանիշ է։ Նրանց մոդելը համապատասխանեցվել է խտությունից կախված այս բաղադրիչին և արատների հետ կապված մի բաղադրիչի, որի նվազումը ժամանակի ընթացքում դանդաղել է։
Սառեցումը դանդաղեցրել է ռեկոմբինացիան՝ հակառակ ինչպես ուղղակի, այնպես էլ անուղղակի կիսահաղորդիչներում ներքին երկմոլեկուլային ռեկոմբինացիայի սովորական միտման։ Թիմը սա մեկնաբանում է որպես հաստատում, որ լիցքերը տեղավորվում են ավելի ցածր էներգիայով պահեստում։ Սակայն սառեցումը դանդաղեցրել է նաև արատներով պայմանավորված կորուստները, ուստի միայն ջերմաստիճանային միտումը չի առանձնացնում առաջարկվող մեխանիզմը։ Բացի այդ՝ գերակշռող կլանումը շատ ցածր ջերմաստիճաններում գրեթե անփոփոխ է մնացել՝ հաստատելով հեղինակների այն եզրակացությունը, որ այն պայմանավորված է ուժեղ ուղղակի անցումներով։
Վերլուծություն
Ավելի դանդաղ ներքին գործընթացը չի վերացրել թաղանթներում առաջացող մյուս կորուստները։ Ավելի երկար ժամանակահատվածում չափված նվազման ընթացքում գրեթե բոլոր շարժուն լիցքերը վերամիավորվել են մոտ 100 նանովայրկյանում։ Հեղինակները պարզել են, որ այդ վարքագիծը համատեղելի է արատներով պայմանավորված՝ լիցքերի թակարդման հետ։ Այդ կորուստները շարունակում են գործնական խոչընդոտ լինել էլեկտրոնային կառուցվածքի հնարավորություններն օգտագործելու համար։
Օքսֆորդի համալսարանի ֆիզիկայի պրոֆեսոր և հետազոտության նամակագրության համար պատասխանատու հեղինակ Լաուրա Մ․ Հերցի խոսքով՝ մեխանիզմն առաջարկում է սկզբունք, որով կարելի է գտնել և հնարավոր է՝ ստեղծել արևային էներգիայի համար այլ նյութեր։ Թիմի պնդմամբ՝ ավելի երկար պահպանվող լիցքերը կարող են ավելի շատ ժամանակ ունենալ՝ որպես էլեկտրականություն հավաքվելու կամ արևի լույսը վառելիքի վերածող ռեակցիաներին նպաստելու համար։ Առաջարկվող հաջորդ քայլերն են նյութերի տվյալների շտեմարանների ուսումնասիրությունը և նման էլեկտրոնային կառուցվածքների ստեղծումը, ապա նաև աշխատանքը՝ մեխանիզմն արևային մարտկոցների տեխնոլոգիայի բարելավման համար կիրառելու ուղղությամբ։
Ծրագիրը միավորում է ազգային լաբորատորիաների, համալսարանների և արդյունաբերական գործընկերների։ Նախատեսվում է ստեղծել սենսորներով հագեցած փորձարկման հարթակ և ինքնակարգավորվող փորձնական արտադրագծեր։
2 րոպե
Փոշուց կազմված գոյացությունը, որը նախկինում տեսանելի էր միայն ինֆրակարմիր ջերմային ճառագայթմամբ, երևում է նաև անդրադարձած աստղային լույսի ներքո։ Դա թույլ է տալիս հետազոտել դրա՝ բախման հետևանքով առաջացած լինելու վարկածը։
4 րոպե
