Materiaalwetenschappers en natuurkundigen van de Universiteit van Heidelberg (Duitsland) en de Universiteit van St. Andrews (Schotland) hebben de elektrische opwekking van hybride licht-materiedeeltjes aangetoond, zogenaamde exciton-polaritonen, door gebruik te maken van veldeffecttransistoren met halfgeleidende koolstofnanobuisjes geïntegreerd in optische microholtes.

De buitengewone stabiliteit van deze transistors maakte elektrisch pompen met ongekende snelheden mogelijk, die de weg vrijmaakt voor elektrisch gepompte lasers met in oplossing verwerkte en op koolstof gebaseerde halfgeleiders. Aangezien de emissie van deze lichtbronnen kan worden afgestemd over een breed bereik van het nabij-infraroodspectrum, dit werk is bijzonder veelbelovend voor toepassingen in de telecommunicatie.

deze resultaten, gepubliceerd in Natuurmaterialen , zijn het laatste resultaat van een vruchtbare samenwerking tussen Professor Dr. Jana Zaumseil (Heidelberg) en Professor Dr Malte C. Gather (St. Andrews).

Onderzoek naar opto-elektronische apparaten die gebruik maken van op koolstof gebaseerde en organische materialen heeft geleid tot een verscheidenheid aan nieuwe toepassingen, zoals organische light-emitting diodes voor energiezuinige, heldere smartphones en tv's met een hoge resolutie.

Echter, ondanks de snelle ontwikkeling op dit gebied, elektrisch gepompt laseren van organische materialen blijft ongrijpbaar. Een grote uitdaging is het genereren van de hoge pompsnelheden die nodig zijn voor laseren. Onlangs, zogenaamde polaritonlasers hebben veel aandacht gekregen omdat ze een nieuwe en potentieel efficiëntere manier bieden om laserachtig licht te genereren.

In plaats van puur op fotonen te vertrouwen zoals bij een conventionele laser, de polaritonlaser gebruikt fotonen die sterk gekoppeld zijn aan de aangeslagen toestanden van het materiaal. Deze gekoppelde aard van de polaritonen kan het genereren van laserachtig licht vergemakkelijken als stroomdichtheden hoog genoeg kunnen worden bereikt.

Eerder toonde hetzelfde team aan dat het mogelijk is om polaritonen te vormen in halfgeleidende koolstofnanobuisjes bij kamertemperatuur door externe optische excitatie. In hun laatste werk, de onderzoekers hebben nu een manier gevonden om polaritonen elektrisch te genereren.

Om dit te behalen, ze ontwikkelden een op koolstofnanobuisjes gebaseerde lichtemitterende veldeffecttransistor die was ingebed tussen twee metalen spiegels in de buurt die als een optische micro-holte fungeren. In zo'n apparaat staat de stroomstroom loodrecht op de optische feedback, waardoor beide onafhankelijk van elkaar kunnen worden geoptimaliseerd.

Vanwege de extreme stabiliteit en hoge geleidbaarheid van de koolstofnanobuisjes in dit apparaat, stroomdichtheden orden van grootte boven alle eerder gerapporteerde waarden werden bereikt. Berekeningen door promovendus Arko Graf, een van de eerste auteurs van de studie, laten zien dat met verdere verbeteringen aan de apparaatarchitectuur, elektrisch gepompte polaritonlasing zal binnen realistisch bereik komen.

Professor Zaumseil legt uit:"Naast de potentiële generatie van laserlicht, deze apparaten kunnen ook worden gebruikt om omkeerbaar af te stemmen tussen sterke en zwakke licht-materie koppeling, die een weg opent naar meer fundamentele onderzoeken."

Professor Gather voegde toe:"Onze nieuwsgierigheid om te begrijpen wat er gebeurt als we op maat gemaakte nanomaterialen combineren met hoogwaardige fotonische structuren, is echt wat deze samenwerking drijft."

Het artikel "Electrical pumping and tuning of exciton-polaritons in carbon nanotube microcavities" door A. Graf, M. Held, Y. Zakharko, L.Tropf, MC Gather and J. Zaumseil is online gepubliceerd in het nummer van 17 juli 2017 van: Natuurmaterialen .