Το 1905, ο Αϊνστάιν δημοσίευσε ένα έγγραφο που εξηγούσε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, στο οποίο υποστήριξε ότι το φως περιλαμβάνει διακριτά πακέτα, «ενεργειακά κβάντα», που τώρα ονομάζονται «φωτόνια», σε αντίθεση με την κυματική θεωρία του φωτός, η οποία ήταν ευρέως αποδεκτή εκείνη την εποχή.
Προέβλεψε ότι τα φωτόνια πάνω από μια ορισμένη συχνότητα όταν πέφτουν σε ένα συγκεκριμένο υλικό, εκτοξεύουν ηλεκτρόνια από την επιφάνειά του. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο λέγεται ότι είχε ως αποτέλεσμα την κβαντική επανάσταση του 20ού αιώνα στη φυσική. Η ανακάλυψη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου χάρισε στον Αϊνστάιν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1921.
Η ανακάλυψη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου έθεσε τα θεμέλια για πολλές σύγχρονες τεχνολογίες που εξαρτώνται από την ανίχνευση φωτός ή τη δημιουργία δέσμης ηλεκτρονίων. Οι δέσμες ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας έχουν χρησιμοποιηθεί σε μεγάλη κλίμακα για την ανάλυση κρυσταλλικών δομών, τη θεραπεία του καρκίνου, τη θανάτωση βακτηρίων και το κράμα μηχανών.
Τα υλικά που μετατρέπουν τα φωτόνια σε ηλεκτρόνια είναι γνωστά ως φωτοκάθοδοι. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι περισσότεροι από τους γνωστούς σήμερα φωτοκαθόδους ανακαλύφθηκαν πριν από περίπου 60 χρόνια και όλοι τους λέγεται ότι έχουν κάποιο ελάττωμα. Τα ηλεκτρόνια που παράγουν αυτές οι φωτοκάθοδοι είναι διασκορπισμένα σε γωνία και ταχύτητα.
Μετά από περισσότερο από έναν αιώνα αφότου ο Αϊνστάιν έλαβε το βραβείο Νόμπελ του 1921 για την ανακάλυψη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, μια ομάδα ερευνητών από την Κίνα, την Ιαπωνία και τις ΗΠΑ δημοσίευσε τώρα μια εργασία που, σύμφωνα με αναφορές, θα μπορούσε να προκαλέσει τη νέα κβαντική επανάσταση.
Τιτανικό στρόντιο (SrTiO3)
Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον He Ruihua, του Πανεπιστημίου Westlake στο Hangzhou, στην ανατολική επαρχία Zhejiang της Κίνας, δημοσίευσε μια εργασία στο περιοδικό Nature στις 8 Μαρτίου.
Σε αυτό το έγγραφο, η ομάδα χρησιμοποίησε ένα νέο υλικό που ονομάζεται τιτανικό στρόντιο (SrTiO3) για να αποκτήσει μια συγκεντρωμένη δέσμη ηλεκτρονίων με ένα επίπεδο ενέργειας ενισχυμένο κατά τουλάχιστον μια τάξη μεγέθους. Το τιτανικό στρόντιο (SrTiO3) είναι ένα κβαντικό υλικό με ποικίλες ενδιαφέρουσες ιδιότητες. Σύμφωνα με την ομάδα του He, οι δέσμες ηλεκτρονίων που λαμβάνονται μετά από διεγερτικό SrTiO3 είναι συνεκτικές.
«Η συνοχή είναι σημαντική για τη δοκό, συγκεντρώνει τη ροή σαν σωλήνας στη βρύση. Χωρίς το σωλήνα, το νερό θα ψεκάζεται παντού όταν η βρύση είναι ορθάνοιχτη. Χωρίς συνοχή, τα ηλεκτρόνια θα διασκορπιστούν», δήλωσε ο Χονγκ Καϊγιούν, συγγραφέας της εργασίας. «Με τη συνοχή που αποκτήσαμε, μπορούμε να αυξήσουμε την ένταση της δέσμης ενώ η δέσμη θα μπορούσε να διατηρήσει την κατεύθυνσή της», είπε περαιτέρω ο Χονγκ.
Επίσης, η ένταση της φωτοεκπομπής από το SrTiO3 ενισχύεται σημαντικά, σύμφωνα με την ομάδα.
«Αυτή η εξαιρετική απόδοση υποδηλώνει νέα φυσική πέρα από το καθιερωμένο θεωρητικό πλαίσιο για τη φωτοεκπομπή», είπε ο Χονγκ.
Προσθήκη στην αρχική ανακάλυψη του Αϊνστάιν
Η ανακάλυψη οδήγησε την ομάδα να βρει μια νέα θεωρία για να εξηγήσει την απαράμιλλη συνοχή. «Καταλήξαμε σε μια εξήγηση ως συμπλήρωμα στο αρχικό θεωρητικό πλαίσιο του Αϊνστάιν. Είναι σε ένα άλλο έγγραφο που είναι υπό εξέταση αυτή τη στιγμή», είπε ο καθηγητής He.
Ο συν-συγγραφέας της εργασίας Arun Bansil του Πανεπιστημίου Northeastern στις ΗΠΑ χαιρέτισε την ανακάλυψη. «Αυτό είναι μεγάλο θέμα γιατί δεν υπάρχει μηχανισμός στην υπάρχουσα κατανόηση της φωτοεκπομπής που να μπορεί να παράγει ένα τέτοιο αποτέλεσμα. Με άλλα λόγια, δεν έχουμε καμία θεωρία για αυτό, επί του παρόντος, επομένως είναι μια θαυματουργή ανακάλυψη με αυτή την έννοια», είπε ο Bansil.
Σύμφωνα με τον Hong, η νέα θεωρία προβλέπει την ύπαρξη μιας ολόκληρης κατηγορίας υλικών με τις ίδιες φωτοεκπομπές ιδιότητες με το SrTiO3. «Το SrTiO3 παρουσιάζει το πρώτο παράδειγμα μιας θεμελιωδώς νέας κατηγορίας κβαντικών υλικών φωτοκαθόδου. Ανοίγει νέες προοπτικές για εφαρμογές που απαιτούν έντονες δέσμες ηλεκτρονίων», είπε.
Ο καθηγητής He είπε ότι η ανακάλυψη προήλθε από την εστίασή τους σε μια παραδοσιακή τεχνολογία που ονομάζεται φασματοσκοπία φωτοεκπομπής με ανάλυση γωνίας (ARPES).
Το ARPES χρησιμοποιείται ευρέως για τη μελέτη δομών ηλεκτρονίων σε στερεά υλικά, συνήθως κρυσταλλικά στερεά. Μετρά την κινητική ενέργεια και τις κατανομές γωνίας εκπομπής των εκπεμπόμενων φωτοηλεκτρονίων.
«Τις τελευταίες δεκαετίες, οι επιστήμονες της φυσικής και των υλικών χρησιμοποίησαν κυρίως το ARPES για να μελετήσουν τις ηλεκτρονικές δομές που σχετίζονται με τις οπτικές, ηλεκτρικές και θερμικές ιδιότητες. Η ομάδα μας προσάρμοσε μια μη συμβατική διαμόρφωση του ARPES και μέτρησε ένα άλλο τμήμα που σχετίζεται περισσότερο με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο», είπε.
«Κατά τη διάρκεια της δοκιμής, βρήκαμε τις ασυνήθιστες ιδιότητες φωτοεκπομπής του SrTiO3. Προηγουμένως, υλικά κβαντικού οξειδίου που αντιπροσωπεύονται από τιτανικό στρόντιο μελετήθηκαν κυρίως ως υποκατάστατα ημιαγωγών και χρησιμοποιούνται επί του παρόντος στους τομείς της ηλεκτρονικής και της φωτοκατάλυσης. Το υλικό θα είναι σίγουρα πολλά υποσχόμενο στον τομέα της φωτοκαθόδου στο μέλλον».
