ประสิทธิภาพเชิงควอนตัมของเครื่องตรวจจับแสงทำลายขีดจำกัดทางทฤษฎี

ตามที่เครือข่ายองค์กรนักฟิสิกส์รายงานเมื่อเร็ว ๆ นี้ว่านักวิจัยฟินแลนด์ได้พัฒนาเครื่องตรวจจับโฟโตซิลิกอนสีดำที่มีประสิทธิภาพควอนตัมภายนอก 130% ซึ่งเป็นครั้งแรกที่ประสิทธิภาพของอุปกรณ์โฟโตวอลตาอิคส์เกินขีดจำกัดทางทฤษฎีที่ 100% ซึ่งคาดว่าจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์ตรวจจับโฟโตอิเล็กทริกได้อย่างมาก และอุปกรณ์เหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในรถยนต์ โทรศัพท์มือถือ นาฬิกาอัจฉริยะ และอุปกรณ์ทางการแพทย์

โฟโตดีเทกเตอร์คือเซ็นเซอร์ที่สามารถวัดแสงหรือพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆ แปลงโฟตอนเป็นกระแสไฟฟ้า และโฟตอนที่ดูดซับจะสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮล โฟโตดีเทกเตอร์ประกอบด้วยโฟโตไดโอดและโฟโตทรานซิสเตอร์ เป็นต้น ประสิทธิภาพควอนตัมใช้เพื่อกำหนดเปอร์เซ็นต์ของโฟตอนที่อุปกรณ์ เช่น โฟโตดีเทกเตอร์ รับเข้าเป็นคู่อิเล็กตรอน-โฮล นั่นคือ ประสิทธิภาพควอนตัมจะเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่สร้างจากแสงหารด้วยจำนวนโฟตอนที่ตกกระทบ

เมื่อโฟตอนที่ตกกระทบสร้างอิเล็กตรอนให้กับวงจรภายนอก ประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกของอุปกรณ์จะอยู่ที่ 100% (ซึ่งก่อนหน้านี้ถือเป็นขีดจำกัดทางทฤษฎี) จากการศึกษาล่าสุด พบว่าโฟตอนตรวจจับซิลิกอนสีดำมีประสิทธิภาพสูงถึง 130% ซึ่งหมายความว่าโฟตอนที่ตกกระทบ 1 ตัวจะสร้างอิเล็กตรอนได้ประมาณ 1.3 ตัว

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยอัลโตเผยว่าอาวุธลับเบื้องหลังความก้าวหน้าครั้งสำคัญนี้คือกระบวนการเพิ่มจำนวนประจุไฟฟ้าและพาหะ ซึ่งเกิดขึ้นภายในโครงสร้างนาโนเฉพาะของโฟโตดีเทกเตอร์ซิลิคอนสีดำ ซึ่งถูกกระตุ้นด้วยโฟตอนพลังงานสูง ก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถสังเกตปรากฏการณ์นี้ในอุปกรณ์จริงได้ เนื่องจากการสูญเสียไฟฟ้าและแสงทำให้จำนวนอิเล็กตรอนที่เก็บรวบรวมได้ลดลง “อุปกรณ์ที่มีโครงสร้างนาโนของเราไม่มีการรวมตัวกันใหม่และไม่มีการสูญเสียการสะท้อนกลับ ดังนั้นเราจึงสามารถเก็บรวบรวมพาหะไฟฟ้าที่เพิ่มมากขึ้นได้ทั้งหมด” ศาสตราจารย์เฮร่า เซเวิร์น หัวหน้าการศึกษากล่าว

ประสิทธิภาพนี้ได้รับการรับรองจากสถาบันเทคโนโลยีฟิสิกส์แห่งสมาคมมาตรวิทยาแห่งชาติเยอรมัน (PTB) ซึ่งเป็นบริการวัดที่แม่นยำและเชื่อถือได้มากที่สุดในยุโรป

นักวิจัยสังเกตว่าประสิทธิภาพการบันทึกนี้หมายความว่านักวิทยาศาสตร์สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์ตรวจจับโฟโตอิเล็กทริกได้อย่างมาก

“เครื่องตรวจจับของเราได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก โดยเฉพาะในด้านเทคโนโลยีชีวภาพและการตรวจสอบกระบวนการทางอุตสาหกรรม” ดร. Mikko Juntuna ซีอีโอของ ElfysInc ซึ่งเป็นบริษัทในเครือของมหาวิทยาลัย Aalto กล่าว มีรายงานว่าบริษัทได้เริ่มผลิตเครื่องตรวจจับดังกล่าวสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์แล้ว