יעילות קוונטית של גלאי פוטו שוברת את הגבול התיאורטי

על פי ארגון הפיזיקאים, רשת דיווחה לאחרונה כי חוקרים פינים פיתחו גלאי פוטואלקטרי מסיליקון שחור עם יעילות קוונטית חיצונית של 130%, וזו הפעם הראשונה שהיעילות של מכשירים פוטו-וולטאיים עולה על הגבול התיאורטי של 100%, דבר שצפוי לשפר מאוד את יעילותם של מכשירי גילוי פוטואלקטריים, ומכשירים אלה נמצאים בשימוש נרחב במכוניות, טלפונים ניידים, שעונים חכמים וציוד רפואי.

גלאי פוטולוגי הוא חיישן שיכול למדוד אור או אנרגיה אלקטרומגנטית אחרת, להמיר פוטונים לזרם חשמלי, והפוטונים הנספגים יוצרים זוגות של אלקטרון-חור. הגלאי כולל פוטודיודה ופוטוטרנזיסטור וכו'. יעילות קוונטית משמשת להגדרת אחוז הפוטונים המתקבלים על ידי מכשיר כמו גלאי פוטולוגי לזוג אלקטרון-חור, כלומר, יעילות הקוונטית שווה למספר האלקטרונים שנוצרו באמצעות פוטו חלקי מספר הפוטונים הפוגעים.

כאשר פוטון פוגע מייצר אלקטרון למעגל חיצוני, יעילות הקוונטים החיצונית של המכשיר היא 100% (שבעבר נחשבה לגבול התיאורטי). במחקר האחרון, לגלאי הפוטואלקטרי מסיליקון שחור הייתה יעילות של עד 130 אחוז, מה שאומר שפוטון פוגע אחד מייצר כ-1.3 אלקטרונים.

לדברי חוקרי אוניברסיטת אלטו, הנשק הסודי מאחורי פריצת דרך משמעותית זו הוא תהליך הכפל של נושאי מטען המתרחש בתוך הננו-מבנה הייחודי של גלאי הסיליקון השחור, המופעל על ידי פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה. בעבר, מדענים לא הצליחו לצפות בתופעה במכשירים אמיתיים משום שנוכחותם של הפסדים חשמליים ואופטיים הפחיתה את מספר האלקטרונים שנאספו. "להתקנים הננו-מבניים שלנו אין אובדן רקומבינציה ואין אובדן החזרה, כך שנוכל לאסוף את כל נושאי המטען המוכפלים", הסבירה פרופסור הרה סוורן, ראש המחקר.

יעילות זו אומתה על ידי המכון לטכנולוגיה פיזיקלית של האגודה הלאומית הגרמנית למטרולוגיה (PTB), שירות המדידה המדויק והאמין ביותר באירופה.

החוקרים מציינים כי יעילות שיא זו פירושה שמדענים יכולים לשפר משמעותית את ביצועיהם של מכשירי גילוי פוטואלקטריים.

"הגלאים שלנו עוררו עניין רב, במיוחד בתחומי הביוטכנולוגיה וניטור תהליכים תעשייתיים", אמר ד"ר מיקו ג'ונטונה, מנכ"ל ElfysInc, חברה בבעלות אוניברסיטת אלטו. דווח כי הם החלו לייצר גלאים כאלה לשימוש מסחרי.