Een team van onderzoekers van de Universiteit van Osaka, Universiteit van de prefectuur Osaka, Universiteit van Osaka, en de prefectuur van de Universiteit van Shiga hebben ontdekt dat excitonisch stralingsverval sneller is dan thermische defasering bij kamertemperatuur in dunne films van zinkoxide (ZnO). deze resultaten, onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , zal het thermische energieverlies bij optische operaties aanzienlijk verminderen.

Een exciton is een gebonden toestand van een elektron en een elektrongat die tot elkaar worden aangetrokken. ZnO, die een brede bandkloof en een hoge excitonische stabiliteit heeft, wordt bestudeerd als een veelbelovend materiaal voor verschillende fotonische apparaten zoals blauwe/ultraviolet-emitterende diodes, ultraviolette lasers, en ultraviolet absorptie zonnebatterijen.

Atomen en moleculen kunnen de lichtenergie absorberen en naar een hoger energieniveau springen (geëxciteerde toestand), maar in het omgekeerde proces, bekend als lichtemissie, ze keren terug naar de grondtoestand door de extra energie die ze hebben geabsorbeerd vrij te geven. Dit wordt een "optisch proces" genoemd. Om de emissie-efficiëntie in vaste apparaten zoals lichtgevende diodes te verbeteren, het is noodzakelijk om de interactie tussen licht en materie te versterken en de absorptie en emissie van licht te versnellen; echter, de marginale prestaties van ZnO bestaande uit dubbele excitonbanden (Figuur 1b) werden niet goed begrepen.

Versnelling van het optische proces is belangrijk bij het realiseren van energiebesparing, hoogrenderende optische apparaten omdat een optisch proces dat sneller is dan thermische defasering het thermische energieverlies zou verminderen; echter, er waren geen duidelijke richtlijnen voor het ontwikkelen van fotonische apparaten met hoge snelheid en men dacht dat het stralingsverval van aangeslagen toestanden in vaste stoffen minstens enkele tientallen picoseconden (ps) kostte.

De samenstellende atomen en moleculen in vaste stoffen spelen de rol van dipoolantennes waarvan de geëxciteerde energieën als licht worden uitgezonden. De grootte van de ruimtelijke uitzetting van deze antennes bepaalt de snelheid en efficiëntie van lichtstraling, of de prestaties van lichtgevende apparaten.

In dit onderzoek, het team stelde een nieuwe theorie voor:een macroscopisch aantal atomen vormen samen wijd uitgestrekte gigantische antennes in ZnO-kristallen en de "tweelingantennes" oscilleren synchroon en versterken elkaar vanwege de degeneratie van de valentieband van ZnO. (Figuur 1c)

Bij experimenten, ze maten stralingsvervaltijden met behulp van hoogwaardige ZnO-dunne films (Figuur 1a), wat aantoont dat extreem snel verval van iets minder dan 20 femtoseconden (fs) plaatsvond. (Figuur 1d) Deze snelheid is drie orden van grootte sneller dan ooit waargenomen in typische halfgeleiders en zelfs sneller dan de snelheid van thermische defasering van excitonen bij kamertemperatuur, die de weg opent naar het realiseren van "ultrasnelle en thermisch vrije" fotonica.

Hoofdauteur Matsuda zegt:"In principe, warmte wordt niet sneller geproduceerd in een optisch proces dan thermische defasering van excitonen, dus kan worden gezegd dat onze onderzoeksresultaten als leidraad zullen dienen voor de ontwikkeling van fotonische apparaten van de volgende generatie met niet-thermogene, ultralaag energieverbruik van de volgende generatie. Conventionele optische apparaten genereren warmte en actieve optische apparaten absorberen licht, vooral, stroomverbruik verhogen. Onze nieuwe theorie zal helpen een duurzame samenleving te realiseren die verder gaat dan de limieten voor energie-efficiëntie die conventioneel als vanzelfsprekend worden beschouwd."