Ett team av forskare från Osaka University, Osaka Prefecture University, Osaka City University, och University of Shiga Prefecture har funnit excitoniskt strålningssönderfall snabbare än termisk avfasning vid rumstemperatur i tunna filmer av zinkoxid (ZnO). Dessa resultat, publicerades nyligen i Fysiska granskningsbrev , kommer att avsevärt minska den termiska energiförlusten vid optiska operationer.

En exciton är ett bundet tillstånd av en elektron och ett elektronhål som attraheras av varandra. ZnO, som har ett brett bandgap och hög excitonisk stabilitet, studeras som ett lovande material för olika fotoniska enheter såsom blå/ultravioletta dioder, ultravioletta laser, och ultraviolett absorption solbatterier.

Atomer och molekyler kan absorbera ljusenergin och hoppa till en högre energinivå (exciterat tillstånd), men i omvänd process, känd som ljusemission, de återgår till grundtillståndet genom att frigöra den extra energi som de absorberade. Detta kallas en "optisk process". För att förbättra emissionseffektiviteten i solida enheter som lysdioder, det är nödvändigt att stärka ljus-materia interaktion och påskynda absorption och emission av ljus; dock, den marginella prestandan för ZnO bestående av dubbla excitonband (Figur 1b) förstods inte väl.

Att påskynda den optiska processen är viktigt för att uppnå energibesparing, högeffektiva optiska anordningar eftersom en optisk process snabbare än termisk avfasning skulle minska värmeenergiförlusten; dock, det fanns inga tydliga vägledande principer för att utveckla höghastighetsfotoniska enheter och man trodde att det strålande sönderfallet av exciterade tillstånd i fasta ämnen tog åtminstone flera tiotals pikosekunder (ps).

De ingående atomerna och molekylerna i fasta ämnen spelar rollen som dipolantenner vars exciterade energier emitteras som ljus. Storleken på den rumsliga expansionen av dessa antenner bestämmer ljusstrålningens hastighet och effektivitet, eller prestanda hos ljusavgivande anordningar.

I den här studien, teamet föreslog en ny teori:ett makroskopiskt antal atomer bildar i samarbete vidsträckta jätteantenner i ZnO-kristaller och "tvillingantennerna" oscillerar synkront och förstärker med varandra på grund av valensbandets degeneration av ZnO. (Figur 1c)

I experiment, de mätte strålningssönderfallstider genom att använda högkvalitativa ZnO-tunna filmer (Figur 1a), visar att extremt snabbt förfall på knappt 20 femtosekunder (fs) ägde rum. (Figur 1d) Denna hastighet är tre storleksordningar snabbare än någonsin observerats i typiska halvledare och till och med snabbare än hastigheten för termisk avfasning av excitoner vid rumstemperatur, vilket kommer att öppna vägen för att förverkliga "ultrasnabb och termisk fri" fotonik.

Huvudförfattaren Matsuda säger, "I princip, värme produceras inte i en optisk process snabbare än termisk avfasning av excitoner, så det kan sägas att våra forskningsresultat kommer att fungera som en vägledande princip för att utveckla nästa generations fotoniska enheter med icke-termogena, nästa generations ultralåg energiförbrukning. Konventionella optiska enheter genererar värme och aktiva optiska enheter absorberar ljus, särskilt, öka strömförbrukningen. Vår nya teori kommer att hjälpa till att förverkliga ett hållbart samhälle bortom energieffektivitetsgränser som konventionellt tas för givna."