Khoa học tự nhiên

Quá trình lượng tử làm tăng đáng kể nguồn năng lượng khai thác từ ánh nắng mặt trời (03/12/2015)

Phương pháp mới dựa trên phát hiện hiệu ứng lượng tử đầy bất ngờ làm tăng số lượng các hạt mang điện, được gọi là điện tử và lỗ, được khoét rộng khi các photon của ánh sáng có bước sóng khác nhau chiếu vào bề mặt kim loại được mạ một lớp vật liệu oxy đặc biệt gọi là chất điện môi chỉ số cao. Các photon tạo ra plasma bề mặt- đám mây điện tử dao động có cùng tần số với các photon bị hấp thụ.

Trong nhóm tác giả của nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Physical Review Letters có Nicholas Fang, Phó GS. Kỹ thuật cơ và TS Dafei Jin. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một tấm bạc tráng oxy có tác dụng chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành phân cực các nguyên tử tại bề mặt phân cách.

“Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy quá trình hấp thụ ánh sáng được trực tiếp kiểm soát khi các điện tử tràn qua bề mặt phân cách giữa kim loại và chất điện môi”. Mức độ mạnh của hiệu ứng phụ thuộc trực tiếp vào hằng số điện môi của vật liệu- thước đo về hiệu quả của việc ngăn chặn sự di chuyển của dòng diện và chuyển đổi năng lượng thành phân cực. 

“Trong rất nhiều công trình nghiên cứu trước đây, thực tế trên đã không được chú ý quan sát”.

Các thí nghiệm trước đây cho thấy quá trình hình thành các điện tử trong những vật liệu này đã gây hao tổn và mài mòn vật liệu. Tuy nhiên, ông cho biết các giải thích này “chưa đủ để lý giải nguyên nhân vì sao chúng tôi quan sát thấy sự hấp thụ băng thông rộng này qua một lớp vật liệu mỏng đến như vậy”. Ngoài ra, ông cũng cho hay, thí nghiệm của nhóm công nhận hiệu ứng lượng tử mới phát hiện là lời giải thích cho quá trình tương tác mạnh mẽ.

Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện rằng bằng cách thay đổi thành phần và đồ dày của lớp vật liệu điện môi (oxit nhôm, oxit hafni và oxit titani) lắng đọng trên bề mặt vật liệu, họ có thể kiểm soát lượng năng lượng bị biến đổi từ photon đến thành các cặp điện tử và lỗ trong vật liệu - được xem như thước đo hiệu quả của hệ thống trong việc thu năng lượng ánh sáng. Bên cạnh đó, hệ thống nàycũng cho phép hấp thụ một loạt các bước sóng, màu sắc hoặc ánh sáng.

Việc khai thác hiện tượng này khá đơn giản đối với các thiết bị hữu ích bởi vì các vật liệu liên quan thường được sử dụng rộng rãi trong quy mô các ngành công nghiệp. Con người sử dụng vật liệu oxit để tạo ra chất bán dẫn - hiện đang được khai thác hiệu quả để sản xuất pin mặt trời và bộ tách sóng quang siêu nhanh. 

Fang cho biết "Việc bổ sung lớp điện môi thực sự đem lại hiệu quả bất ngờ, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác ánh sáng. Do pin mặt trời sản xuất dựa trên nguyên lý này thường sẽ rất mỏng, nên người ta sẽ sử dụng ít vật liệu hơn so với pin silicon thông thường”.

Do phản ứng băng thông rộng, nên các hệ thống này sẽ phản ứng nhanh hơn với ánh sáng đến: “Chúng ta có thể thu nhận hay phát hiện các tín hiệu xung ngắn hơn so với khi sử dụng bộ tách sóng quang”, Fang nói. Điều này thậm chí có thể dẫn đến sự ra đời của hệ thống “li-fi” mới, ông cũng khuyến cáo nên sử dụng ánh sáng để truyền và nhận dữ liệu tốc độ cao.

N. Asger Mortensen, giáo sư tại Đại học Kỹ thuật Đan Mạch là người không tham gia vào nghiên cứu, ông cho biết phát hiện này "có ý nghĩa sâu sắc đối với nhận thức của chúng ta về plasmon lượng tử. Nghiên cứu của MIT đã chỉ ra thực tế rằng plasmon bị phân rã thành cặp điện tử - lỗ ngay sát bề mặt kim loại".

Maiken Kikkelsen, phó giáo sư vật lý tại đại học Duke không tham gia vào công trình nghiên cứu này, ông nhấn mạnh “Việc áp dụng thử nghiệm những hiệu ứng lượng tử này rất phức tạp, cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm, phát hiện về hấp thụ tăng cường dựa trên việc hiệu chỉnh lượng tử chính là một bước nhảy vọt quan trọng. Tôi cho rằng không còn nghi ngờ về việc khai thác các đặc tính lượng tử của các vật liệu nano nhất định sẽ tạo ra nhiều đột phát công nghệ trong tương lại”. 

Nguồn: vista.gov.vn (Theo Physics, 11/2015)