Fysiker från MIPT och Vladimir State University, Ryssland, har omvandlat ljusenergi till ytvågor på grafen med nästan 90 % effektivitet. De förlitade sig på ett laserliknande energiomvandlingsschema och kollektiva resonanser. Tidningen publicerades i Laser &Photonics Recensioner .

Att manipulera ljus i nanoskala är en uppgift som är avgörande för att kunna skapa ultrakompakta enheter för optisk energiomvandling och lagring. För att lokalisera ljus i så liten skala, forskare omvandlar optisk strålning till så kallade ytplasmonpolaritoner. Dessa SPP är svängningar som fortplantar sig längs gränssnittet mellan två material med drastiskt olika brytningsindex – specifikt, en metall och ett dielektrikum eller luft. Beroende på de valda materialen, graden av ytvågslokalisering varierar. Det är starkast för ljus lokaliserat på ett material som endast är ett atomlager tjockt, eftersom sådana 2D-material har höga brytningsindex.

De befintliga systemen för att omvandla ljus till SPP på 2D-ytor har en effektivitet på högst 10 %. Det är möjligt att förbättra den siffran genom att använda mellanliggande signalomvandlare - nanoobjekt med olika kemiska sammansättningar och geometrier.

De mellanliggande omvandlare som användes i den senaste studien i Laser &Photonics Recensioner är halvledarkvantprickar med en storlek på 5 till 100 nanometer och en sammansättning som liknar den hos den fasta halvledare de är tillverkade av. Som sagt, de optiska egenskaperna hos en kvantpunkt varierar avsevärt med dess storlek. Så genom att ändra dess dimensioner, forskare kan ställa in den till den optiska våglängden av intresse. Om en samling av kvantprickar av olika storlek belyses med naturligt ljus, varje punkt kommer att svara på en viss våglängd.

Kvantprickar finns i olika former - cylindrar, pyramider, sfärer, etc. — och olika kemiska sammansättningar. I sin studie, teamet av ryska forskare använde ellipsoidformade kvantprickar 40 nanometer i diameter. Prickarna fungerade som spridare placerade ovanför ytan av grafen, som belystes med infrarött ljus vid en våglängd av 1,55 mikrometer. En dielektrisk buffert flera nanometer tjock skilde grafenarket från kvantprickarna.

Idén att använda en kvantprick som spridare är inte ny. Några av de tidigare grafenstudierna använde ett liknande arrangemang, med prickarna placerade ovanför 2D-arket och interagerar både med ljus och med elektromagnetiska ytvågor vid en gemensam våglängd som delas av de två processerna. Detta möjliggjordes genom att välja en kvantpunktsstorlek som var exakt rätt. Även om ett sådant system är ganska lätt att ställa in till en resonans, den är känslig för luminescenssläckning – omvandling av infallande ljusenergi till värme – såväl som omvänd ljusspridning. Som ett resultat, effektiviteten för SPP-generering översteg inte 10 %.

"Vi undersökte ett schema där en kvantpunkt placerad ovanför grafen interagerar både med infallande ljus och med den elektromagnetiska ytvågen, men frekvenserna för dessa två interaktioner är olika. Punkten interagerar med ljus vid en våglängd av 1,55 mikrometer och med ytans plasmonpolariton vid 3,5 mikrometer. Detta aktiveras av ett hybridinteraktionsschema, " säger studiens medförfattare Alexei Prokhorov, en senior forskare vid MIPT Center for Photonics and 2-D Materials, och en docent vid Vladimir State University.

Kärnan i hybridinteraktionsschemat är att snarare än att använda bara två energinivåer – de övre och nedre – inkluderar installationen också en mellannivå. Det är, teamet använde en energisk struktur som liknar laserns. Den mellanliggande energinivån tjänar till att möjliggöra den starka kopplingen mellan kvantpunkten och den elektromagnetiska ytvågen. Kvantpunkten genomgår excitation vid våglängden av lasern som lyser upp den, medan ytvågor genereras vid den våglängd som bestäms av SPP-kvantpunktsresonansen.

"Vi har arbetat med en rad material för tillverkning av kvantprickar, såväl som med olika typer av grafen, "Förklarade Prokhorov. "Förutom ren grafen, det finns också vad som kallas dopad grafen, som innehåller element från närliggande grupper i det periodiska systemet. Beroende på typ av dopning, den kemiska potentialen hos grafen varierar. Vi optimerade parametrarna för kvantpunkten - dess kemi, geometri – såväl som typen av grafen, för att maximera effektiviteten av ljusenergiomvandling till ytplasmon-polaritoner. Så småningom bestämde vi oss för dopad grafen och indiumantimonid som kvantprickmaterial."

Trots den mycket effektiva energitillförseln till grafen via kvantpunktsförmedlaren, intensiteten hos de resulterande vågorna är extremt låg. Därför, ett stort antal punkter måste användas i ett specifikt arrangemang ovanför grafenskiktet. Forskarna var tvungna att hitta exakt rätt geometri, det perfekta avståndet mellan punkterna för att säkerställa signalförstärkning på grund av fasningen av närfälten för varje punkt. I deras studie, teamet rapporterar att de upptäckte en sådan geometri och mätte en signal i grafen som var storleksordningar kraftigare än för slumpmässigt arrangerade kvantprickar. För deras efterföljande beräkningar, fysikerna använde egenutvecklade mjukvarumoduler.

Den beräknade omvandlingseffektiviteten för det nyligen föreslagna systemet är så hög som 90–95 %. Även om man tar hänsyn till alla potentiella negativa faktorer som kan påverka detta meritvärde, det kommer att förbli över 50 % – flera gånger högre än något annat konkurrerande system.

"En stor del av sådan forskning fokuserar på att skapa ultrakompakta enheter som skulle kunna omvandla ljusenergi till ytplasmonpolaritoner med hög effektivitet och i mycket liten skala i rymden, därigenom registrerar ljusenergi i någon struktur, " sa chefen för MIPT Center for Photonics and 2-D Materials, Valentin Volkov, som var medförfattare till studien. "Dessutom, du kan ackumulera polaritoner, potentiellt designa ett ultratunt batteri som består av flera atomlager. Det är möjligt att använda effekten i ljusenergiomvandlare som liknar solceller, men med flera gånger högre effektivitet. En annan lovande applikation har att göra med detektering av nano- och bioobjekt."