Renässansarkitekter visade sin förståelse för geometri och fysik när de byggde in viskande gallerier i sina katedraler. Dessa cirkulära kammare designades för att förstärka och rikta ljudvågor så att när du står på rätt plats, en viskning hördes från andra sidan rummet. Nu, Forskare vid University of Pennsylvania har tillämpat samma princip på nanoskala för att drastiskt minska utsläppslivslängden, en nyckelegenskap hos halvledare, vilket kan leda till utvecklingen av nya ultrasnabba fotoniska enheter.

Forskningen utfördes av docent Ritesh Agarwal, postdoktorerna Chang-Hee Cho och Sung-Wook Nam och doktoranden Carlos O. Aspetti, alla av Institutionen för materialvetenskap och teknik i Penns School of Engineering and Applied Science. Michael E. Turk och James M. Kikkawa från Institutionen för fysik och astronomi vid School of Arts and Sciences bidrog också till studien.

Deras forskning publicerades i tidskriften Naturmaterial .

"När du exciterar en halvledare, sedan tar det några nanosekunder att komma tillbaka till grundtillståndet tillsammans med ljusemission, " Sa Agarwal. "Det är emissionslivslängden. Det är ungefär hur länge lampan lyser, och därmed hur lång tid det tar för den att vara redo att slås på igen.

"Om du gör en modulator, något som växlar fram och tillbaka, du är begränsad av denna tidskonstant. Det vi har gjort är att minska det till mindre än en pikosekund. Det är mer än tusen gånger snabbare än något som är tillgängligt för närvarande."

I halvledare, det exciterade tillståndet är när energi finns i systemet, och grundtillståndet är när det inte finns något. I vanliga fall, halvledaren måste först "kyla" i exciterat tillstånd, frigör energi som värme, innan du "hoppar" tillbaka till marktillståndet, frigör den återstående energin som ljus. Penn-teamets halvledar nanotrådar, dock, kan hoppa direkt från ett högenergiexciterat tillstånd till marken, allt utom att eliminera nedkylningsperioden.

Framstegen i emissionslivslängd beror på den unika konstruktionen av teamets nanotrådar. I deras kärna, de är kadmiumsulfid, ett vanligt nanotrådsmaterial. Men de är också inslagna i ett buffertlager av kiseldioxid, och, kritiskt, ett yttre lager av silver. Silverbeläggningen stöder så kallade ytplasmoner, unika vågor som är en kombination av oscillerande metallelektroner och av ljus. Dessa ytplasmoner är mycket begränsade till ytan som kiseldioxid- och silverskikten möter.

"Den tidigare tekniken var att ta en nanotråd, precis som vår, och lägga den på en metallyta, ", sa Agarwal. "Vi böjde metallytan runt tråden, gör en komplett plasmonisk hålighet i nanoskala och den viskande gallerieffekten."

För vissa nanotrådsstorlekar, silverbeläggningen skapar fickor av resonans och därmed mycket begränsade elektromagnetiska fält inom nanostrukturen. Emissionslivslängden kan sedan konstrueras genom att exakt kontrollera högintensiva elektromagnetiska fält inuti det ljusemitterande mediet, som är kadmiumsulfidkärnan.

För att nå en emissionslivslängd mätt i femtosekunder, forskarna behövde för att optimalt balansera detta högavgränsade elektromagnetiska fält med en lämplig "kvalitetsfaktor, " mätningen av hur bra en kavitet är på att lagra energi. För att komplicera saken, kvalitetsfaktor och inneslutning har ett omvänt samband; ju högre kvalitetsfaktor en kavitet har desto större är den och desto mindre inneslutning. Dock, genom att välja en rimlig kvalitetsfaktor, forskarna kunde avsevärt öka inneslutningen av det elektriska fältet inuti nanotråden genom att använda resonansytplasmoner och få den rekordstora emissionslivslängden.

Denna förbättring av många storleksordningar kan hitta ett hem i en mängd olika applikationer som LED, detektorer och andra nanofotoniska enheter med nya egenskaper.

"Plasmoniska datorer skulle kunna dra nytta av dessa nanotrådar, " sade Cho. "Vi skulle kunna öka moduleringshastigheten till terahertz-området medan elektroniska datorer är begränsade till ett fåtal gigahertz-intervall."

"Samma fysik styr emission och absorption, så dessa nanotrådar kan också användas för att öka effektiviteten av absorptionen i solceller, sa Agarwal.