ประสิทธิภาพควอนตัมของเครื่องตรวจจับแสงทะลุขีดจำกัดทางทฤษฎี

ตามรายงานของเครือข่ายองค์กรนักฟิสิกส์เมื่อเร็ว ๆ นี้ว่านักวิจัยชาวฟินแลนด์ได้พัฒนาเครื่องตรวจจับแสงซิลิคอนสีดำที่มีประสิทธิภาพควอนตัมภายนอก 130% ซึ่งเป็นครั้งแรกที่ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์เกินขีดจำกัดทางทฤษฎีที่ 100% ซึ่งคาดว่าจะอย่างมาก ปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์ตรวจจับโฟโตอิเล็กทริค และอุปกรณ์เหล่านี้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในรถยนต์ โทรศัพท์มือถือ นาฬิกาอัจฉริยะ และอุปกรณ์ทางการแพทย์

เครื่องตรวจจับแสงเป็นเซ็นเซอร์ที่สามารถวัดแสงหรือพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆ แปลงโฟตอนให้เป็นกระแสไฟฟ้า และโฟตอนที่ถูกดูดซับจะสร้างคู่หลุมอิเล็กตรอน เครื่องตรวจจับแสงประกอบด้วยโฟโตไดโอดและโฟโตทรานซิสเตอร์ ฯลฯ ประสิทธิภาพควอนตัมใช้เพื่อกำหนดเปอร์เซ็นต์ของโฟตอนที่ได้รับจากอุปกรณ์ เช่น เครื่องตรวจจับแสงให้เป็นคู่หลุมอิเล็กตรอน กล่าวคือ ประสิทธิภาพควอนตัมเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่ผลิตด้วยแสงหารด้วย จำนวนโฟตอนที่ตกกระทบ

เมื่อโฟตอนที่ตกกระทบสร้างอิเล็กตรอนให้กับวงจรภายนอก ประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกของอุปกรณ์คือ 100% (ก่อนหน้านี้คิดว่าเป็นขีดจำกัดทางทฤษฎี) ในการศึกษาล่าสุด เครื่องตรวจจับแสงซิลิคอนสีดำมีประสิทธิภาพสูงถึง 130 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งหมายความว่าโฟตอนที่ตกกระทบหนึ่งตัวจะผลิตอิเล็กตรอนได้ประมาณ 1.3 ตัว

ตามที่นักวิจัยของมหาวิทยาลัย Aalto อาวุธลับเบื้องหลังความก้าวหน้าครั้งสำคัญนี้คือกระบวนการคูณตัวพาประจุที่เกิดขึ้นภายในโครงสร้างนาโนที่เป็นเอกลักษณ์ของเครื่องตรวจจับแสงซิลิคอนสีดำ ซึ่งถูกกระตุ้นโดยโฟตอนพลังงานสูง ก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถสังเกตปรากฏการณ์นี้ในอุปกรณ์จริงได้ เนื่องจากการสูญเสียทางไฟฟ้าและแสงทำให้จำนวนอิเล็กตรอนที่สะสมลดลง “อุปกรณ์ที่มีโครงสร้างนาโนของเราไม่มีการรวมตัวกันอีกครั้งและไม่มีการสูญเสียการสะท้อน ดังนั้นเราจึงสามารถรวบรวมพาหะประจุแบบทวีคูณได้ทั้งหมด” ศาสตราจารย์ Hera Severn ผู้นำการศึกษาอธิบาย

ประสิทธิภาพนี้ได้รับการตรวจสอบโดยสถาบันเทคโนโลยีทางกายภาพของสมาคมมาตรวิทยาแห่งชาติเยอรมัน (PTB) ซึ่งเป็นบริการตรวจวัดที่แม่นยำและเชื่อถือได้มากที่สุดในยุโรป

นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าประสิทธิภาพในการบันทึกนี้หมายความว่านักวิทยาศาสตร์สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์ตรวจจับโฟโตอิเล็กทริคได้อย่างมาก

“เครื่องตรวจจับของเราสร้างความสนใจอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านเทคโนโลยีชีวภาพและการติดตามกระบวนการทางอุตสาหกรรม” ดร. Mikko Juntuna ซีอีโอของ ElfysInc ซึ่งเป็นบริษัทของ Aalto University กล่าว มีรายงานว่าพวกเขาได้เริ่มผลิตเครื่องตรวจจับดังกล่าวเพื่อใช้ในเชิงพาณิชย์แล้ว