Kuinka saada pii loistamaan valoa tehokkaasti

Kalifornia Irvine yliopiston tutkijoiden vetämä kansainvälinen tutkijaryhmä on osoittanut perustaltaan aivan uuden tavan saada pii säteilemään valoa – ja näin on voitettu yksi modernin elektroniikan ja fotoniikan sitkeimmistä rajoituksista.

Julkaistussa työssään tutkijat osoittavat, että pii, jota on pitkään pidetty tehottomana valonlähteenä sen epäsuoran kaistanleveyden vuoksi, voidaan muuntaa kirkkaaksi, laajakaistaiseksi lähteeksi.

Tutkijat tuottivat emissioita piistä sen tavanomaisessa massamuodossa muuttamatta sen koostumusta tai rakennetta. Sen sijaan läpimurto syntyy itse valon ominaisuuksien muokkaamisesta.

”Piin kyvyttömyys emittoida valoa tehokkaasti on edelleen merkittävä este fotoniikalle”, sanoo tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Aleks Noskov. ”Osoitamme tässä perustavanlaatuisesti erilaisen lähestymistavan. Materiaalin muuttamisen sijaan muutamme valoa. Ja se avaa täysin uusia polkuja sille, miten piin ja sen vuorovaikutus voi tapahtua.”

Perinteisessä optiikassa fotonit kuljettavat hyvin vähän liikemäärää verrattuna kiinteän aineen elektroneihin. Tämä epäsuhta estää tehokkaan valon emission piissä, koska säteilyrekombinaatio vaatii sekä energian että liikemäärän säilymistä. Tämän seurauksena pii on riippuvainen fononeista, kidehilan värähtelyistä, emission avustamiseksi, mikä tekee prosessista erittäin tehottoman.

Tutkijat havaitsivat, että tämä rajoitus voidaan poistaa, kun valo rajoitetaan erittäin pieniin, nanometrin kokoisiin mittoihin. Tällaisessa erittäin rajoitetussa tilassa fotonien liikemäärän spektri laajenee merkittävästi ja saavuttaa arvot, jotka ovat verrattavissa materiaalin elektronien arvoihin.

Kokeellisesti tiimi saavutti ilmiön koristelemalla piipintoja ultrapienillä, alle kahden nanometrin metallihiukkasilla. Valaistuksen alla piipinta alkoi säteillä voimakasta, ultralaajakaistaista valoa, joka kattaa näkyvän ja lähi-infrapuna-alueen.

”Tämä on täydellinen muutos siinä, miten ajattelemme valon ja aineen vuorovaikutuksia”, sanoo, professori Eric Potma. ”Perinteisesti materiaalien optisia siirtymiä pidetään kiinteinä niiden elektronisen rakenteen perusteella. Tässä osoitamme, että muokkaamalla valon liikemäärää voimme muokata näitä sääntöjä ja mahdollistaa täysin uusia säteilyreittejä.”

Vaikutukset ulottuvat paljon yksittäisen materiaalin ulkopuolelle. Mahdollistamalla niin sanotut "diagonaaliset" siirtymät, joissa sekä energia että liikemäärä muuttuvat samanaikaisesti, lähestymistapa ohittaa tehokkaasti perustavanlaatuisen rajoitteen, joka on rajoittanut epäsuoria puolijohteita vuosikymmeniä. Piissä tämä johtaa uuden säteilyrekombinaatiokanavan syntymiseen, joka kilpailee sekä perinteisen emission että ei-säteilyhäviöiden kanssa.

Löytö luo pohjan täysin integroidulle piifotoniikalle , jossa valonlähteet, ilmaisimet ja elektroniset komponentit voivat toimia rinnakkain samalla alustalla. Tällainen integrointi on pitkään ollut tavoitteena teknologioissa optisesta viestinnästä neuromorfiseen ja fotonipohjaiseen laskentaan.

Aiheesta aiemmin:

Sirulle integroitavia ledejä

Pii ja fotoniikka löytävät toisensa