Een nieuwe combinatie van materialen kan elektriciteit en licht efficiënt langs dezelfde kleine draad leiden, een bevinding die een stap zou kunnen zijn in de richting van het bouwen van computerchips die digitale informatie met de snelheid van het licht kunnen transporteren.

Rapportage vandaag in het high-impact tijdschrift van The Optical Society (OSA) optiek , optische en materiaalwetenschappers van de Universiteit van Rochester en het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Zürich beschrijven een basismodelcircuit dat bestaat uit een zilveren nanodraad en een enkellaagse vlok van molybendumdisulfide (MoS2).

Een laser gebruiken om elektromagnetische golven, plasmonen genaamd, aan het oppervlak van de draad op te wekken, de onderzoekers ontdekten dat de MoS2-vlok aan het uiteinde van de draad een sterke lichtemissie genereerde. Gaat de andere kant op, terwijl de aangeslagen elektronen ontspanden, ze werden opgevangen door de draad en weer omgezet in plasmonen, die licht van dezelfde golflengte uitzond.

"We hebben ontdekt dat er een uitgesproken licht-materie-interactie op nanoschaal is tussen plasmonen en atomair dun materiaal dat kan worden benut voor nanofotonische geïntegreerde schakelingen, " zei Nick Vamivakas, assistent-professor kwantumoptica en kwantumfysica aan de Universiteit van Rochester en senior auteur van het artikel.

Typisch zou ongeveer een derde van de resterende energie verloren gaan voor elke paar micron (miljoensten van een meter) die de plasmonen langs de draad reisden, verklaarde Kenneth Goodfellow, een afgestudeerde student aan Rochester's Institute of Optics en hoofdauteur van de optiek papier.

"Het was verrassend om te zien dat er na de rondreis nog genoeg energie over was, ' zei Goodfellow.

Fotonische apparaten kunnen veel sneller zijn dan elektronische, maar ze zijn omvangrijker omdat apparaten die licht focussen niet zo goed kunnen worden geminiaturiseerd als elektronische circuits, zei Goodfellow. De nieuwe resultaten zijn veelbelovend voor het sturen van de transmissie van licht, en het handhaven van de intensiteit van het signaal, in zeer kleine afmetingen.

Sinds de ontdekking van grafeen, een enkele laag koolstof die met plakband uit grafiet kan worden gehaald, wetenschappers hebben snel de wereld van tweedimensionale materialen verkend. Deze materialen hebben unieke eigenschappen die je in hun bulkvorm niet ziet.

zoals grafeen, MoS2 is opgebouwd uit lagen die zwak met elkaar verbonden zijn, zodat ze gemakkelijk kunnen worden gescheiden. In bulk MoS2, elektronen en fotonen interageren zoals ze zouden doen in traditionele halfgeleiders zoals silicium en galliumarsenide. Omdat MoS2 wordt gereduceerd tot dunnere en dunnere lagen, de overdracht van energie tussen elektronen en fotonen wordt efficiënter.

De sleutel tot de gewenste fotonische eigenschappen van MoS2 ligt in de structuur van de energiebandafstand. Naarmate het aantal lagen van het materiaal afneemt, het gaat over van een indirecte naar een directe bandgap, waardoor elektronen gemakkelijk tussen energiebanden kunnen bewegen door fotonen vrij te geven. Grafeen is inefficiënt bij lichtemissie omdat het geen band gap heeft.

Het combineren van elektronica en fotonica op dezelfde geïntegreerde schakelingen zou de prestaties en efficiëntie van mobiele technologie drastisch kunnen verbeteren. De onderzoekers zeggen dat de volgende stap is om hun primitieve circuit te demonstreren met lichtgevende diodes.