ประสิทธิภาพเชิงควอนตัมของโฟโตดีเทคเตอร์ทำลายขีดจำกัดทางทฤษฎี

จากรายงานล่าสุดของเครือข่ายองค์กรนักฟิสิกส์ นักวิจัยชาวฟินแลนด์ได้พัฒนาโฟโตดีเทคเตอร์ซิลิคอนสีดำที่มีประสิทธิภาพควอนตัมภายนอก 130% ซึ่งเป็นครั้งแรกที่ประสิทธิภาพของอุปกรณ์โฟโตโวลตาอิกเกินขีดจำกัดทางทฤษฎีที่ 100% ซึ่งคาดว่าจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์ตรวจจับแสงได้อย่างมาก และอุปกรณ์เหล่านี้ถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในรถยนต์ โทรศัพท์มือถือ นาฬิกาอัจฉริยะ และอุปกรณ์ทางการแพทย์

โฟโตดีเทคเตอร์เป็นเซนเซอร์ที่สามารถวัดแสงหรือพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆ แปลงโฟตอนเป็นกระแสไฟฟ้า และโฟตอนที่ถูกดูดซับจะก่อตัวเป็นคู่อิเล็กตรอน-โฮล โฟโตดีเทคเตอร์ประกอบด้วยโฟโตไดโอดและโฟโตทรานซิสเตอร์ เป็นต้น ประสิทธิภาพควอนตัมใช้เพื่อกำหนดเปอร์เซ็นต์ของโฟตอนที่อุปกรณ์ เช่น โฟโตดีเทคเตอร์ ได้รับและเปลี่ยนเป็นคู่อิเล็กตรอน-โฮล กล่าวคือ ประสิทธิภาพควอนตัมเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่เกิดจากแสงหารด้วยจำนวนโฟตอนที่ตกกระทบ

เมื่อโฟตอนตกกระทบสร้างอิเล็กตรอนให้กับวงจรภายนอก ประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกของอุปกรณ์จะอยู่ที่ 100% (ซึ่งก่อนหน้านี้เคยคิดว่าเป็นขีดจำกัดทางทฤษฎี) ในการศึกษาล่าสุด โฟโตดีเทคเตอร์ซิลิคอนสีดำมีประสิทธิภาพสูงถึง 130 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งหมายความว่าโฟตอนตกกระทบหนึ่งตัวสามารถสร้างอิเล็กตรอนได้ประมาณ 1.3 ตัว

จากข้อมูลของนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Aalto อาวุธลับเบื้องหลังความก้าวหน้าครั้งสำคัญนี้คือกระบวนการเพิ่มจำนวนตัวนำประจุที่เกิดขึ้นภายในโครงสร้างนาโนที่เป็นเอกลักษณ์ของโฟโตดีเทคเตอร์ซิลิคอนสีดำ ซึ่งถูกกระตุ้นด้วยโฟตอนพลังงานสูง ก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถสังเกตปรากฏการณ์นี้ในอุปกรณ์จริงได้ เนื่องจากมีการสูญเสียทางไฟฟ้าและทางแสง ทำให้จำนวนอิเล็กตรอนที่เก็บรวบรวมได้ลดลง “อุปกรณ์โครงสร้างนาโนของเราไม่มีการรวมตัวใหม่และไม่มีการสูญเสียจากการสะท้อน ดังนั้นเราจึงสามารถเก็บรวบรวมตัวนำประจุที่เพิ่มจำนวนขึ้นทั้งหมดได้” ศาสตราจารย์ Hera Severn หัวหน้าทีมวิจัยกล่าวอธิบาย

ประสิทธิภาพนี้ได้รับการตรวจสอบยืนยันโดยสถาบันเทคโนโลยีทางกายภาพแห่งสมาคมมาตรวิทยาแห่งชาติเยอรมัน (PTB) ซึ่งเป็นบริการวัดที่แม่นยำและน่าเชื่อถือที่สุดในยุโรป

นักวิจัยระบุว่า ประสิทธิภาพที่สูงเป็นประวัติการณ์นี้ หมายความว่านักวิทยาศาสตร์สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์ตรวจจับด้วยแสงได้อย่างมาก

ดร. มิกโก จุนทูนา ซีอีโอของบริษัท ElfysInc ซึ่งเป็นบริษัทในเครือมหาวิทยาลัย Aalto กล่าวว่า “เครื่องตรวจจับของเราได้รับความสนใจอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านเทคโนโลยีชีวภาพและการตรวจสอบกระบวนการทางอุตสาหกรรม” มีรายงานว่าพวกเขาได้เริ่มผลิตเครื่องตรวจจับดังกล่าวเพื่อจำหน่ายเชิงพาณิชย์แล้ว