Ett team av forskare från det holländska institutet AMOLF, Western University (Kanada), och University of Texas (USA) visade nyligen användningen av algoritmisk design för att skapa en ny typ av nanofotonisk struktur. Detta är goda nyheter för forskare inom optisk kvantberäkning och fotovoltaik, eftersom strukturen avsevärt förbättrar riktningsförmågan hos nanoskala emitters (i lysdioder, eller enstaka fotonkällor) och absorbatorer (i solceller eller fotodetektorer). Forskarna publicerade sina resultat i Naturkommunikation den 9 november, 2018.

Direktivitet beskriver förhållandet mellan ljusemission i en viss riktning till totalen över alla andra riktningar. Det är ofta användbart för sändare att ha hög riktning så att alla fotoner som skapas av en nanoskalakälla kan samlas in någon annanstans. Detta är särskilt värdefullt i optiska kvantberäkningstillämpningar där insamlingen från enstaka fotonemitters visar sig vara utmanande.

Vidare, Att förbättra riktningsförmågan är också fördelaktigt för fotovoltaiska enheter i nanoskala; Att koppla det aktiva absorberande materialet i solceller uteslutande med solen kan förbättra fotospänningen avsevärt. Detta kan förstås genom en analogi - när man värmer ett material med solljus, det blir varmare när det bara byter energi med solen, och inte med den relativt kallare omgivande miljön.

Riktning på nanoskala

Även om riktningsförmåga är en mycket fördelaktig egenskap för sändare och absorbatorer, att öka den för enheter i nanoskala kan vara utmanande. På så små längdskalor, ljus beter sig både som en partikel och en våg, komplicerar utformningen av strukturer med sub-våglängdsegenskaper till den grad att intuitionen av prestandan hos ett optiskt element är extremt begränsad. Att designa strukturer med hjälp av algoritmer adresserar detta, tillåta optiska helvågssimuleringar att helt diktera geometrin hos det nanofotoniska objektet. Forskargruppen använde en evolutionär algoritm, att skapa flera generationer av strukturer med ökande prestanda. Detta resulterade i att direktivitetsvärden översteg de för klassiska strukturer som sfäriska linser med mer än en faktor tre.

För att demonstrera genomförbarheten av dessa strukturer, en proof of concept-anordning tillverkades experimentellt. Denna enhet involverade att skriva ut en nanolenstruktur på toppen av en galliumarsenid nanotråd med en femtosekunds pulsad laserteknik. Sådana GaAs nanotrådar användes för deras relevans i fotovoltaiska enheter, samtidigt som de ger ett bekvämt testsystem på grund av deras höga kvanteffektivitet (antal fotoner ut per foton in).

Medan nanolenserna dramatiskt förbättrade riktningen hos nanotrådssändare, den observerade prestandan var fortfarande lägre än vad beräkningsdesignen hade förutspått. Dock, genom att inkludera en liten förskjutning mellan emissionscentrum och linsens centrum, nya simuleringar kunde reproducera det observerade beteendet. Denna förskjutning inträffade sannolikt i de experimentella proverna, eftersom nanotrådarna avger primära från ett litet område nära en av deras ändar (motsvarande positionen för den interna diodövergången i tråden). Svårigheten att anpassa sig till denna emitterande plats visade sig vara den enskilt största begränsningen i den observerade prestandan, följt av det faktum att detta utsläpp fortfarande kom från en ändlig region (inte en enda punkt, som antagits i designsimuleringarna). Detta indikerar att en flyttning till mer begränsade sändar- eller absorbatorstrukturer lätt kan åtgärda båda dessa källor till minskad prestanda, och erbjuda ännu mer styrande beteende utan att behöva byta lins eller tillverkningsteknik.