Licht vangen in microchips: professor wint wetenschappelijke hoofdprijs

TORONTO — Sajeev John kwam voor het eerst met het concept van het vangen van licht toen hij een doctoraatsstudent was aan de Harvard University in 1984 — en nu, decennia later, heeft hij prijzen gewonnen voor het concept en werkt hij aan de toepassing van dat idee om een ​​revolutie teweeg te brengen in zonnetechnologie .

John, een theoretisch fysicus en professor aan de Universiteit van Toronto, is dit jaar de Canadese Gerhard Herzberg Gold Medal for Science and Engineering, Canada’s meest prestigieuze wetenschapsprijs, die een verhoging van de financiering omvat.

“Financiën zijn iets heel kostbaars voor mij”, vertelde hij aan CTVNews.ca in een telefonisch interview.

De Gerhard Herzberg-medaille, genoemd naar de Canadese natuurkundige die in 1971 de Nobelprijs voor de Scheikunde won, wordt uitgereikt door de Canadian Council for Natural Sciences and Engineering Research. De financiering van de begunstigden werd voor vijf jaar verhoogd, wat in totaal opliep tot $ 1 miljoen.

De lichtvangtechnologie die meer dan drie decennia geleden voor het eerst werd bedacht, is gebruikt in de optische vezelindustrie, met toepassingen zoals lasers die in de geneeskunde worden gebruikt.

“Dit is al gebruikt in medische behandelingen voor laserchirurgie, om hoge intensiteitslichten van een flexibele endoscoop te sturen […] Om tumoren te verdampen en dat soort dingen.

Deze technologie zou een grote rol kunnen spelen in toekomstige supercomputers, maar op dit moment zijn de fabricagekosten erg hoog gezien het vereiste niveau van perfectie.

“De computertoepassing ligt iets verder in de toekomst”, zei John.

In plaats van supercomputers concentreerde John zich op hoe het vangen van licht zonnetechnologie verandert – iets dat cruciaal zou kunnen zijn in de voortdurende strijd tegen klimaatverandering.

“De hoeveelheid zonne-energie die op het oppervlak regent, is ongeveer 100.000 meer dan het totale energieverbruik van alle mensen op aarde”, zei hij. “Dus het is een kwestie van ze efficiënt te vangen.”

Wat betekent “lichtval”?

John zei dat het idee ontstond toen hij zich als student begon af te vragen of fotonen, ‘elementaire lichtdeeltjes’, konden worden gevangen ‘in een bepaalde volgorde van materie’ zoals elektronen in atomen zitten.

Het enige dat licht zo anders maakt dan andere deeltjes, is dat licht ook werkt als een golflengte, iets dat voor het eerst werd ontdekt in de jaren 1860.

“Vanaf dat moment […] Niemand had echt een manier bedacht om een ​​lichtgolf te vangen en sommigen beschouwden het als onmogelijk omdat licht pure energie is en erg snel beweegt.”

Het idee was om van deze golf te profiteren. Golven interfereren – als de top de trog ontmoet, dan is er de zogenaamde constructieve interferentie, maar de top ontmoet de trog en wordt opgeheven.

“Dus ik was in staat om in theorie een rangschikking van materie te bedenken – en met materiaal bedoel ik een materiaal als silicium – dat als je het geometrisch vormt en deze stukjes silicium in een periodiek materiaal rangschikt, het de licht lijkt te interfereren in praktisch elke richting die je wilt proberen te ontsnappen vanaf het punt dat door hem is gemaakt.

Het basisidee van het vangen van licht werd zijn proefschrift, maar het idee van hoe licht te vangen werd verder belichaamd in een artikel uit 1987 dat hij schreef toen hij een assistent-professor was aan de Princeton University, waarin het theoretische idee van het creëren van een materiaal dat licht kan vangen op een schaal die vergelijkbaar is met zijn golflengte, wat optische bandgap-materialen wordt genoemd.

“Hier is het echt begonnen”, zegt hij. “Het heeft veel aandacht getrokken vanwege […] Nu was er eigenlijk zo weinig van een theoretisch beschreven pad dat mensen echt konden nadenken over wat voor soort materiaal daarvoor gemaakt zou kunnen worden.”

Op dat moment raakten wetenschappers en andere groepen die deze theorie wilden testen, geïnteresseerd in het vinden van manieren om de voorspellingen van John te bevestigen en om toepassingen voor het idee te vinden.

En wetenschappers vinden er nog steeds nieuwe toepassingen voor, waaronder John.

Op jacht naar nieuwe zonnetechnologie

“Een van de dingen waar ik nu in geïnteresseerd ben, is het licht vangen, niet van de laser, maar van de zon”, zei John. “De bron van het grootste deel van onze energie.”

Zijn huidige project is het ontwerpen van zonnecellen die licht efficiënter kunnen opvangen dan de huidige zonneproducten.

“Nu komt zonlicht binnen over een zeer breed scala aan golflengten,” zei hij. “Dus we moeten al die golven opvangen en willen het in een heel dun materiaal doen, dat is heel anders dan standaard zonnepanelen.”

Door een lichtvangmechanisme te introduceren, zei hij, zou je zonnecellen kunnen maken van silicium – het materiaal waarvan vrijwel bestaande zonnepanelen zijn gemaakt – veel dunner en zelfs flexibel.

“Je kunt het op verschillende oppervlakken plaatsen – daken, auto’s, zelfs kleding,” zei hij. “Het is het vermogen om licht op te vangen in een zeer dun materiaal en in een zeer overvloedig, niet-toxisch materiaal zoals silicium […] En het is, denk ik, de hack die we op dit moment proberen te ontwikkelen tot iets meer dan alleen een technologie. “

Er lopen al experimenten om dit concept te testen en te verbeteren.

John zei dat hij medewerkers heeft in Toronto, Australië en Duitsland die eraan werken om dit te realiseren, waaronder experts in conventionele zonnetechnologie.

“De ontwerpen die theoretisch door deze groep zijn ontwikkeld, worden ‘naar beneden’ geïmplementeerd om op het bovenoppervlak van een zonnecel te worden geplaatst, dit fotovoltaïsche kristal of lichtvangende geometrie, en worden ze op een siliciumchassis geplaatst, waarop de hoogwaardige elektronische apparaten zijn gemaakt door de groep in Duitsland die nummers hebben Internationale standaard in zonnecellen.

“Dus zelfs op dit moment wordt dit al geïmplementeerd en getest. Ik denk dat we het komende jaar een aantal antwoorden zullen hebben over de efficiëntie van het apparaat.”

Als deze technologie werkt zoals ontworpen, kan dit de manier waarop we denken over zonne-energie veranderen, met mogelijke toepassingen als coatings op auto’s of gebouwen.

“Je kunt zonne-opvang meer wijdverspreid maken, niet alleen op een paar zonneparken of op een paar daken”, zei John.

Hij merkte op dat silicium overvloedig aanwezig is op aarde en niet giftig is, en als deze methode werkt, zijn misschien niet de giftige chemicaliën vereist die nodig zijn in traditionele zonnepanelen.

Een ander gebruik van deze lichtvangende technologie die wordt overwogen, is het gebruik ervan om waterstofbrandstof efficiënter te produceren door water te splitsen in zuurstofgas en waterstofgas.

Het wordt fotokatalyse genoemd, maar wordt soms gezien als ‘kunstmatige fotosynthese’, legde John uit, omdat het energie van de zon gebruikt om elektronen op te laden en chemische reacties teweeg te brengen die water kunnen transformeren, vergelijkbaar met de manier waarop planten de energie van de zon gebruiken.

Door meer licht in te sluiten, wordt het proces eenvoudiger.

“Als je 10 keer zoveel waterstof zou kunnen verzamelen, zou het kosteneffectiever zijn – en dat is het idee erachter,” zei John.

Hoewel hij nu zijn handen vol heeft, zei John dat hij in de toekomst graag zou willen weten of deze technologie kan worden gebruikt in medische beeldvorming om ziekten nog eerder op te sporen.

“Het soort mensen met wie ik omga, de schoonheid van de wetenschap zelf, ze zijn absoluut een enorme inspiratiebron”, zei hij.