Об этом сообщает официальный сайт ETH Zurich. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Быстрое переключение и модуляция света лежат в основе наиболее перспективных технологий передачи данных. В частности, за счет этого передается информация по оптоволоконным кабелям в виде модулированных световых лучей. Последние несколько лет исследователям удается миниатюризировать модуляторы света и интегрировать их в чипы, но сами источники света (светодиоды или лазеры) по-прежнему создают проблемы для инженеров.
Группа исследователей из ETH Zurich во главе с профессором Лукасом Новотны вместе с коллегами из лабораторий EMPA в Дюбендорфе и ICFO в Барселоне нашли новый механизм, с помощью которого в будущем можно будет производить крошечные, но очень эффективные источники света. Результаты их исследования недавно были опубликованы в научном журнале Nature Materials.
«Чтобы достичь этого, нам сначала пришлось попробовать неожиданное», - говорит профессор Новотны. В течение нескольких лет он и его коллеги работали над наноразмерными источниками света, основанными на туннельном эффекте. Между двумя электродами (в данном случае из золота и графена), разделенными изолирующим материалом, электроны могут туннелировать в соответствии с правилами квантовой механики, при определенных обстоятельствах генерируя свет.
«К сожалению, мощность этих источников света довольно низкая, потому что данное излучение в целом малоэффективно», - объясняет научный сотрудник ETH Zurich Сотириос Пападопулос.Схожая проблема хорошо известна по другим областям современной микроэлектроники.
Например, в мобильных телефонах микросхемы, создающие микроволны, необходимые для передачи, имеют размер всего несколько миллиметров. При этом сами микроволны имеют длину волны около 20 сантиметров - в сто раз больше, чем чип. Чтобы преодолеть эту разницу в размерах, необходима антенна (которая в современных телефонах практически не видна снаружи). Точно так же в экспериментах цюрихских исследователей длина волны света намного превышала размеры источника света.
«Можно подумать, что мы сознательно искали антенное решение, но на самом деле это было не так», - отмечает Пападопулос. Научная группа ETH Zurich изначально исследовала слои полупроводниковых материалов (таких как дисульфид вольфрама) толщиной в один атом, зажатых между электродами туннельного перехода, чтобы таким образом создавать свет.
В принципе можно было бы предположить, что оптимальное положение должно быть где-то между двумя электродами, может быть, немного ближе к одному, чем к другому. Вместо этого исследователи попробовали нечто совершенно иное, поместив полупроводник поверх графенового электрода - полностью вне зоны туннельного перехода. Удивительно, но это сработало очень хорошо.
Исследователи выяснили причину данного явления, варьируя напряжение, подаваемое на туннельный переход, и измеряя ток, протекающий через него. Это измерение показало четкий резонанс, который соответствовал так называемому экситонному резонансу полупроводникового материала. Экситоны состоят из положительно заряженной дырки, которая соответствует отсутствующему электрону, и электрона, связанного дыркой. Их можно возбудить, например, световым облучением.
Экситонный резонанс был явным признаком того, что полупроводник не возбуждался напрямую носителями заряда (ведь через него не текли электроны), а скорее поглощал энергию, созданную в туннельном переходе, и впоследствии переизлучал ее. Другими словами, он действовал очень похоже на антенну.
«Пока что эта «антенна» не очень хороша, потому что внутри полупроводника создаются так называемые «темные» экситоны, а значит, излучается мало света», - признает Новотны, но исследователи уже намечают пути сделать излучение света полупроводником более эффективным.В этом случае станет возможным создание источников света размером всего в несколько нанометров - то есть в тысячу раз меньше, чем длина волны света, который они излучают.