Miten nanokuvio vangitsee valon energian

Aseta kaksi hienoa verkkoa päällekkäin ja käännä päällimmäistä hieman, jolloin näkyviin tulee aaltoileva jaksollinen kuvio. Twenten yliopiston fyysikot sovelsivat näin syntynyttä moiré-ilmiötä nanoskaalassa yhteistyössä Utrechtin, Brasilian ja Japanin tutkijoiden kanssa käyttämällä kahta alle nanometrin paksuista puolijohdekerrosta.

Menettelyn myötä he havaitsivat ensimmäistä kertaa, mihin syntynyt kuvio vangitsee valon energiaa. Työllä on mahdollisia sovelluksia ultrapienissä valonlähteissä ja optisissa antureissa.

Twenten yliopiston tutkijat pinosivat kaksi molybdeenidisulfidilevyä, vain kolmen atomin paksuista puolijohdekidettä, ja kiersivät päällimmäistä levyä kaksi astetta. Tuloksena oleva kuvio muuttaa materiaalin vuorovaikutusta valon kanssa ja toistuu yhdeksän nanometrin välein.

Kun valo osuu puolijohteeseen, sen energia voi absorboitua eksitoneiksi kutsuttuihin hiukkaspareihin. Nämä parit määräävät pitkälti, miten materiaali absorboi ja emittoi valoa. Tutkijat ovat jo pitkään epäilleet, että moiré-kuvio voi vangita eksitoneja kiinteisiin paikkoihin, mikä tarjoaisi tavan hallita valoa ohjelmoitavassa ruudukossa.

Mutta tähän asti kukaan ei ole pystynyt näkemään tätä käyttäytymistä suoraan. Optiset mittaukset keskiarvoistuvat tuhansien kuvion toistojen yli, ja terävämmät mikroskopiamenetelmät toimivat vain erittäin matalissa lämpötiloissa. ”Tällä uudella menetelmällä olemme osoittaneet, että tämä moiré-kuvio todellakin toimii nanomittakaavan maisemana, joka ohjaa ja vangitsee eksitoneja tiettyihin paikkoihin huoneenlämmössä”, sanoo tutkimusta johtanut Pantelis Bampoulis.

Ensimmäinen kirjoittaja Laurens Westenberg skannasi pinottuja kerroksia atomitason terävällä neulalla, samalla kun tarkasti viritetyn värinen valo valaisi niitä alhaalta päin. Jokaisessa pisteessä neula havaitsi valon synnyttämän pienen sähkövirran, minkä ansiosta tiimi pystyi kartoittamaan, mihin valoenergia absorboituu. Tuloksena olevat kartat osoittavat nanometrin tarkkuudella, missä kukin tyyppinen eksitoni sijaitsee.

Kartat paljastivat myös jotain odottamatonta: erityyppiset eksitonit kerääntyvät kuvion eri kohtiin. Yksi ryhmä sijaitsee moiré-hilan risteyskohdissa. Toinen ryhmä asettuu niiden väliin, juuri sinne, missä ensimmäinen ryhmä puuttuu. Jokainen eksitoni pysyy rajoittuneena noin kahden nanometrin kokoiseen pisteeseen.

Menetelmä toimii huoneenlämmössä ja oikeilla laitteilla. Tämä tekee siitä käytännöllisen työkalun eksitoneja käyttävien komponenttien suunnitteluun. Moiré-kuvio tarjoaa tavan pysäköidä valon energia valittuihin paikkoihin, muutaman nanometrin etäisyydellä toisistaan, yksinkertaisesti valitsemalla kiertokulma. Westenberg: "Tuloksemme voisivat auttaa sellaisten materiaalien ja laitteiden suunnittelussa, jotka manipuloivat valon absorptiota ja sähköä paljon tarkemmin."

Aiheesta aiemmin:

Moiré-kuvioita ferrosähköisyyden parissa

Kiertymällä ohjattu magnetismi kasvaa moiré-efektin ulkopuolelle

Valo saa atomit kiertymään moiré-kuviossa