Швидке перемикання та модуляція світла лежить в основі, серед іншого, сучасної передачі даних, у якій інформація надсилається через волоконно-оптичні кабелі у формі модульованих світлових променів. Вже кілька років можна мініатюризувати модулятори світла та інтегрувати їх у чіпи, але самі джерела світла — світлодіоди (світлодіоди) або лазери — все ще створюють проблеми для інженерів.
Команда дослідників з ETH Zurich під керівництвом професора Лукаса Новотні разом з колегами з EMPA в Дюбендорфі та ICFO в Барселоні знайшли новий механізм, за допомогою якого в майбутньому можна буде виробляти крихітні, але ефективні джерела світла. Результати їхнього дослідження нещодавно були опубліковані в журналі Nature Materials.
Спроба несподіваного
«Щоб досягти цього, нам спочатку потрібно було спробувати несподіване», — каже Новотний. Кілька років він і його колеги працювали над мініатюрними джерелами світла, заснованими на тунельному ефекті. Між двома електродами (у цьому випадку із золота та графену), розділеними ізоляційним матеріалом, електрони можуть тунелювати згідно з правилами квантової механіки. За певних обставин, тобто якщо тунельний процес є непружним, тобто енергія електронів не зберігається, світло може виникати.
«На жаль, потужність цих джерел світла досить низька, оскільки радіаційне випромінювання дуже неефективне», — пояснює постдоктор Сотіріос Пападопулос. Ця проблема викидів добре відома в інших областях техніки. У мобільних телефонах, наприклад, чіпи, які створюють мікрохвилі, необхідні для передачі, мають розмір лише кілька міліметрів.
Навпаки, самі мікрохвилі мають довжину хвилі близько 20 сантиметрів, що робить їх у сто разів більшими за чіп. Щоб подолати цю різницю в розмірі, потрібна антена (яка в сучасних телефонах фактично вже не помітна ззовні). Подібним чином, в експериментах цюріхських дослідників довжина хвилі світла набагато більша, ніж джерело світла.
Напівпровідник поза тунельним переходом
«Тож можна подумати, що ми свідомо шукали рішення щодо антени, але насправді це не так», — каже Пападопулос. Як і інші групи до них, дослідники досліджували шари напівпровідникових матеріалів, таких як дисульфід вольфраму, товщиною в один атом, затиснуті між електродами тунельного з’єднання, щоб таким чином створювати світло.
У принципі можна припустити, що оптимальне положення має бути десь між двома електродами, можливо, трохи ближче до одного, ніж до іншого. Замість цього дослідники спробували щось зовсім інше, помістивши напівпровідник поверх графенового електрода — повністю за межами тунельного з’єднання.
Дивовижна дія антени
На диво, ця, на перший погляд, нелогічна позиція спрацювала дуже добре. Дослідники з’ясували причину цього, змінюючи напругу, що подається на тунельний перехід, і вимірюючи струм, що протікає через нього. Це вимірювання показало чіткий резонанс, який відповідав так званому екситонному резонансу напівпровідникового матеріалу.
Екситони складаються з позитивно зарядженої дірки, яка відповідає відсутньому електрону, і електрона, зв’язаного діркою. Вони можуть збуджуватися, наприклад, світловим опроміненням. Екситонний резонанс був чіткою ознакою того, що напівпровідник не збуджувався безпосередньо носіями заряду — зрештою, через нього не протікали електрони — а скоріше, що він поглинав енергію, створену в тунельному переході, і згодом повторно випромінював її. Іншими словами, він діяв дуже схоже на антену.
Застосування в нанорозмірних джерелах світла
“Поки що ця антена не дуже хороша, тому що всередині напівпровідника створюються так звані темні екситони, що означає, що випромінюється мало світла”, – визнає Новотний. «Покращення цього буде нашим домашнім завданням на найближче майбутнє». Якщо дослідникам вдасться зробити випромінювання світла напівпровідником більш ефективним, стане можливим створити джерела світла розміром лише кілька нанометрів і, таким чином, у тисячу разів менші за довжину хвилі світла, яке вони виробляють.
Оскільки електрони не протікають через напівпровідникову антену, також немає небажаних ефектів, які зазвичай виникають на кордонах і можуть знизити ефективність. «У будь-якому випадку ми відкрили двері для нових додатків», — каже Новотний. Спроба несподіваного, очевидно, окупилася. Джерело