Tänk om en dag, din dator, TV eller smarttelefon kan behandla data med ljusvågor istället för en elektrisk ström, gör dessa enheter snabbare, billigare och mer hållbart genom mindre värme- och elförbrukning? Det är bara en möjlighet som en dag kan bli resultatet av ett internationellt forskningssamarbete som undersöker hur man kan förbättra prestandan hos plasmoniska enheter.

Forskningen ledd av Masoud Kaveh-Baghbadorani, en doktorand vid University of Cincinnati's Department of Physics, presenteras den 5 mars, vid American Physical Society Meeting i San Antonio, Texas.

Forskarna undersöker manipulation av ljus i plasmoniska nanostrukturer med hjälp av fasavvecklingen och populationsdynamiken hos elektron-hål-par i metallbelagda, kärna-skal halvledar nanotrådar. Tekniken skulle minimera energiförluster och värmeproduktion. Forskningen fokuserar på att leda ljus genom nanometertjocka metallfilmer – ungefär tusen gånger tunnare än ett människohår – för att sprida ljus med plasmonvågor, en kumulativ elektronoscillation.

Plasmonik är ett framväxande forskningsfält, men det har begränsningar på grund av höga resistivitetsförluster i metallfilmerna. Kaveh-Baghbadorani har undersökt utvecklingen av hybridmetall/organiska halvledar nanotrådar som fungerar som en energipump för att kompensera för energiförluster i metallbeläggningen.

"Vi har provat detta med en legering av silver, nu provar vi det med guld. Syftet är att bättre förstå och försöka modellera hur energi överförs från halvledarnanotråden till metallen. Det finns många olika variabler här för att bättre förstå denna energiöverföring eller energikoppling, " förklarar Kaveh-Baghbadorani. "Vi arbetar med att förbättra kopplingen mellan halvledarnanotrådarna och metallbeläggningen."

Förutom att använda en annan metall, forskarna använder också en vertikal inriktning av nanotrådsstrukturer. De utvecklade också en metod för att helt omge nanotrådarna med lager av 10 nanometer tjocka guldfilmer. Ett insatt organiskt material fungerar som ett distansskikt för att kontrollera energiöverföringen från nanotråden till metallen.

"Metallen resulterar i höga resistivitetsförluster, " förklarar medforskaren Hans Peter-Wagner, en UC-professor i fysik och Kaveh-Baghbadoranis rådgivare. "Vi vill övervinna dessa förluster genom att pumpa energi från nanotrådsexcitoner, eller elektroniska excitationer, in i metallen. Detta är anledningen till att vi gör denna forskning. "

Forskningen undersöker också effekten av att använda olika organiska distanslagertjocklekar på energikopplingen.

"När vi använder olika organiska material i den plasmoniska strukturen, vi kan förlänga livslängden för upphetsade laddningsbärare, därför kan de resa längre inom strukturen innan de fångas av metallen, " säger Kaveh-Baghbadorani. "Genom att ändra den organiska distansens tjocklek, vi kan kontrollera energiöverföringsprocessen."

Framtida tillämpningar kan inkludera snabbare och förbättrad prestanda för datorer och andra smarta elektroniska enheter, solceller eller till och med leda till en superlins som resulterar i en enorm förbättring av den nuvarande generationen av mikroskop. "Vi är långt ifrån i slutet av potentiella ansökningar för denna forskning och tänker ständigt på nya användningsområden. Forskningsfältet är extremt rikt, det finns inget slut i sikte, säger Wagner.