Als je op zoek bent naar één techniek om de fotonoutput van plasmonen te maximaliseren, stop. Er zijn er twee nodig om ruzie te maken.

Natuurkundigen van Rice University kwamen een fenomeen tegen dat het licht van een apparaat op nanoschaal met meer dan 1 versterkt 000 keer groter dan ze hadden verwacht.

Als we kijken naar licht afkomstig van een plasmonische overgang, een microscopisch kleine opening tussen twee gouden nanodraden, er zijn omstandigheden waarin het toepassen van optische of elektrische energie individueel slechts een bescheiden hoeveelheid lichtemissie veroorzaakte. Beide samen toepassen, echter, veroorzaakte een uitbarsting van licht die de output onder beide individuele stimulus ver overschreed.

De onderzoekers onder leiding van Rice-fysicus Douglas Natelson en hoofdauteurs Longji Cui en Yunxuan Zhu vonden het effect tijdens het opvolgen van experimenten die ontdekten dat de stroom door de opening het aantal lichtemitterende 'hot carrier'-elektronen in de elektroden verhoogde.

Nu weten ze dat het toevoegen van energie van een laser aan hetzelfde knooppunt het nog helderder maakt. Het effect zou kunnen worden gebruikt om nanofotonische schakelaars te maken voor computerchips en voor geavanceerde fotokatalysatoren.

De details verschijnen in het tijdschrift American Chemical Society Nano-brieven.

"Het is al lang bekend dat het mogelijk is om een ​​lichtemissie te krijgen van deze kleine structuren, " zei Natelson. "In ons vorige werk, we hebben aangetoond dat plasmonen een belangrijke rol spelen bij het genereren van zeer hete ladingsdragers, gelijk aan een paar duizend graden."

Plasmonen zijn rimpelingen van lading die energie dragen, en wanneer geactiveerd, stromen over het oppervlak van bepaalde metalen, inclusief goud. In het spanningsgestuurde mechanisme, elektronen tunnelen door de opening, opwindende plasmonen, wat leidt tot hete elektronen die recombineren met elektronen "gaten" en daarbij fotonen uitzenden.

Hoewel het effect op dat moment dramatisch leek, het verbleekte in vergelijking met de nieuwe ontdekking.

"Ik hou van het idee van '1+1=1, 000, '" zei Natelson. "Je doet twee dingen, die elk niet veel licht geven in dit energiebereik, maar samen, heilige koe! Er komt veel licht uit."

De specifieke mechanismen verdienen nader onderzoek, hij zei. Een mogelijkheid is dat optische en elektrische aandrijvingen worden gecombineerd om het genereren van hete elektronen te verbeteren. Een alternatief is dat de lichtemissie een boost krijgt via anti-Stokes elektronische Raman-verstrooiing. In dat proces, lichtinput zet reeds opgewonden hete dragers ertoe aan om terug te ontspannen naar hun grondtoestand, meer fotonen vrijgeven.

"Er is daar iets interessants aan de hand, waarbij elk van deze individuele excitaties niet genoeg is om je de hoeveelheid licht te geven die eruit komt, " Zei Natelson. "Maar als je ze samenvoegt, is de effectieve temperatuur veel hoger. Dat is een mogelijke verklaring:dat de lichtopbrengst een exponentiële functie is van de temperatuur. Het bereiken van die effectieve temperatuur duurt honderden femtoseconden.

"Het Raman-mechanisme is subtieler, waar licht binnenkomt, haalt energie uit de spanning, en nog sterkere lichte bladeren, " zei hij. "Dat gebeurt nog sneller, dus een tijdsafhankelijk experiment kan ons waarschijnlijk helpen het dominante mechanisme te achterhalen.

"De reden dat het netjes is, is dat je kunt, in principe, koppel de elektrische aandrijving en het licht dat binnenkomt om allerlei dingen te doen, " zei Natelson. "Als de foto van de hot carrier klopt, er is de mogelijkheid om wat interessante chemie te doen."

Co-auteurs van het artikel zijn Peter Nordlander, de Wiess-leerstoel in natuurkunde en sterrenkunde en hoogleraar elektrische en computertechnologie en materiaalkunde en nano-engineering aan Rice, en Massimiliano Di Ventra, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Californië, San Diego. Cui, een voormalig postdoctoraal fellow bij Rice, is nu een assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalwetenschappen en techniek aan de Universiteit van Colorado Boulder. Zhu is een afgestudeerde student aan Rice. Natelson is voorzitter en hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde en hoogleraar elektrische en computertechniek en materiaalkunde en nano-engineering.