Materialforskare och fysiker från Heidelberg University (Tyskland) och University of St Andrews (Skottland) har visat elektrisk generering av hybrida ljus-materia partiklar, så kallade exciton-polaritoner, genom att använda fälteffekttransistorer med halvledande kolnanorör integrerade i optiska mikrokaviteter.

Den extraordinära stabiliteten hos dessa transistorer möjliggjorde elektrisk pumpning i oöverträffade hastigheter, som banar väg för elektriskt pumpade lasrar med lösningsbearbetade och kolbaserade halvledare. Eftersom emissionen av dessa ljuskällor kan ställas in över ett brett spektrum av det nära-infraröda spektrumet, detta arbete är särskilt lovande för tillämpningar inom telekommunikation.

Dessa resultat, publiceras i Naturmaterial , är det senaste resultatet av ett fruktbart samarbete mellan professor Dr Jana Zaumseil (Heidelberg) och professor Dr Malte C. Gather (St Andrews).

Forskning om optoelektroniska enheter som använder kolbaserade och organiska material har lett till en mängd nya tillämpningar, såsom organiska ljusemitterande dioder för energieffektivitet, ljusstarka och högupplösta smartphones och TV-apparater.

Dock, trots den snabba utvecklingen på detta område, elektriskt pumpad lasring från organiska material förblir svårfångade. En stor utmaning är att generera de höga pumphastigheter som krävs för lasring. Nyligen, så kallade polaritonlasrar har fått mycket uppmärksamhet eftersom de ger ett nytt och potentiellt mer effektivt sätt att generera laserliknande ljus.

Istället för att förlita sig enbart på fotoner som i en konventionell laser, polaritonlasern använder fotoner som är starkt kopplade till materialets exciterade tillstånd. Denna kopplade natur av polaritonerna kan underlätta genereringen av laserliknande ljus om tillräckligt höga strömtätheter kunde uppnås.

Tidigare har samma team visat att det är möjligt att bilda polaritoner i halvledande kolnanorör vid rumstemperatur genom extern optisk excitation. I deras senaste verk, forskarna hittade nu ett sätt att generera polaritoner elektriskt.

För att uppnå detta, de utvecklade en kolnanorörsbaserad ljusemitterande fälteffekttransistor som var inbäddad mellan två metallspeglar i omedelbar närhet och fungerade som en optisk mikrokavitet. I en sådan anordning är strömflödet vinkelrätt mot den optiska återkopplingen, vilket gör att båda kan optimeras oberoende av varandra.

På grund av den extrema stabiliteten och höga ledningsförmågan som tillhandahålls av kolnanorören i denna enhet, strömtätheter i storleksordningar över eventuella tidigare rapporterade värden uppnåddes. Beräkningar av doktoranden Arko Graf, en av de första författarna till studien, visa att med ytterligare förbättringar av enhetsarkitekturen, elektriskt pumpad polaritonlasning kommer att vara inom realistisk räckvidd.

Professor Zaumseil förklarar:"Förutom den potentiella genereringen av laserljus, dessa enheter kan också användas för att reversibelt ställa in mellan stark och svag koppling av lätt materia, vilket öppnar en väg till mer grundläggande utredningar."

Professor Gather tillade:"Vår nyfikenhet att förstå vad som händer när vi kombinerar skräddarsydda nanomaterial med högkvalitativa fotoniska strukturer är verkligen det som driver detta samarbete."

Uppsatsen "Elektrisk pumpning och inställning av exciton-polaritoner i kolnanorörsmikrohålrum" av A. Graf, M. Held, Y. Zakharko, L. Tropf, M.C. Gather and J. Zaumseil publiceras online i numret 17 juli 2017 av Naturmaterial .