Renaissance-architecten demonstreerden hun begrip van geometrie en natuurkunde toen ze fluistergalerijen in hun kathedralen bouwden. Deze ronde kamers zijn ontworpen om geluidsgolven te versterken en te richten, zodat, als je op de goede plek staat, een fluistering was te horen aan de andere kant van de kamer. Nutsvoorzieningen, wetenschappers van de Universiteit van Pennsylvania hebben hetzelfde principe op nanoschaal toegepast om de levensduur van emissies drastisch te verminderen, een belangrijke eigenschap van halfgeleiders, wat kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe ultrasnelle fotonische apparaten.

Het onderzoek is uitgevoerd door universitair hoofddocent Ritesh Agarwal, postdoctorale fellows Chang-Hee Cho en Sung-Wook Nam en afgestudeerde student Carlos O. Aspetti, alle van het Department of Materials Science and Engineering in Penn's School of Engineering and Applied Science. Michael E. Turk en James M. Kikkawa van de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van de School of Arts and Sciences droegen ook bij aan het onderzoek.

Hun onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen .

"Als je een halfgeleider prikkelt, dan duurt het een paar nanoseconden om terug te keren naar de grondtoestand vergezeld van emissie van licht, "Zei Agarwal. "Dat is de emissie-levensduur. Het is ongeveer de tijd dat het licht aan is, en dus is de hoeveelheid tijd die nodig is voordat het klaar is om weer te worden ingeschakeld.

"Als je een modulator maakt, iets dat heen en weer gaat, je bent beperkt door deze tijdconstante. Wat we hebben gedaan, is het teruggebracht tot minder dan een picoseconde. Het is meer dan duizend keer sneller dan alles wat momenteel beschikbaar is."

Bij halfgeleiders, de aangeslagen toestand is wanneer er energie in het systeem aanwezig is, en de grondtoestand is wanneer er geen is. Normaal gesproken, de halfgeleider moet eerst "afkoelen" in de aangeslagen toestand, energie vrijgeven als warmte, alvorens terug te "springen" naar de grondtoestand, het vrijgeven van de resterende energie als licht. De halfgeleider nanodraden van het Penn-team, echter, kan direct vanuit een hoogenergetische aangeslagen toestand naar de grond springen, alles behalve het elimineren van de afkoelperiode.

De vooruitgang in emissie-levensduur is te danken aan de unieke constructie van de nanodraden van het team. In hun kern, ze zijn cadmiumsulfide, een veelgebruikt nanodraadmateriaal. Maar ze zijn ook verpakt in een bufferlaag van siliciumdioxide, en, kritisch, een buitenste laag zilver. De zilveren coating ondersteunt wat bekend staat als oppervlakteplasmonen, unieke golven die een combinatie zijn van oscillerende metaalelektronen en van licht. Deze oppervlakteplasmonen zijn sterk beperkt tot het oppervlak waar de siliciumdioxide- en zilverlagen elkaar ontmoeten.

"De vorige stand van de techniek was het nemen van een nanodraad, net als de onze, en leg het op een metalen oppervlak, " zei Agarwal. "We hebben het metalen oppervlak rond de draad gebogen, het maken van een complete plasmonische holte op nanoschaal en het fluistergalerij-effect."

Voor bepaalde nanodraadformaten, de zilveren coating creëert resonantieholtes en dus zeer beperkte elektromagnetische velden in de nanostructuur. De emissielevensduur kan vervolgens worden ontworpen door de elektromagnetische velden met hoge intensiteit in het lichtuitzendende medium nauwkeurig te regelen. dat is de cadmiumsulfidekern.

Om een ​​emissielevensduur gemeten in femtoseconden te bereiken, de onderzoekers moesten dit elektromagnetische veld met hoge opsluiting optimaal in evenwicht brengen met een geschikte "kwaliteitsfactor, " de meting van hoe goed een holte is in het opslaan van energie. Om de zaken nog ingewikkelder te maken, kwaliteitsfactor en opsluiting hebben een omgekeerde relatie; hoe hoger de kwaliteitsfactor een holte heeft, hoe groter deze is en hoe kleiner de opsluiting. Echter, door te kiezen voor een redelijke kwaliteitsfactor, de onderzoekers zouden de opsluiting van het elektrische veld in de nanodraad enorm kunnen vergroten door resonante oppervlakteplasmonen te gebruiken en de recordbrekende emissie-levensduur te krijgen.

Deze verbetering van vele ordes van grootte zou een thuis kunnen vinden in een verscheidenheid aan toepassingen, zoals LED's, detectoren en andere nanofotonische apparaten met nieuwe eigenschappen.

"Plasmonische computers zouden goed gebruik kunnen maken van deze nanodraden, Cho zei. "We zouden de modulatiesnelheid kunnen verhogen tot in het terahertz-bereik, terwijl elektronische computers beperkt zijn tot een paar gigahertz-bereik."

"Dezelfde fysica regelt emissie en absorptie, dus deze nanodraden kunnen ook worden gebruikt voor het verhogen van de efficiëntie van absorptie in zonnecellen, ' zei Agarwal.