Renesanso epochos architektai, projektuodami pasigėrėjimo vertas katedrų galerijas, pademonstravo savo puikų geometrijos ir fizikos supratimą. Šios apskritosios erdvės buvo sukurtos taip, kad sustiprintų ir tinkamai nukreiptų garso bangas – užėmus reikiamą vietą, galima išgirsti menką šnabždesį, sklindantį iš tolimojo kampo.
Šiais laikais Pensilvanijos universiteto (JAV) mokslininkai pritaikė tuos pačius principus nanopasauliui, kad kaip reikiant sumažintų emisijos trukmę – labai svarbią puslaidininkių savybę, kuri gali leisti sukurti naujus ultrasparčius fotonikos įtaisus.
Tyrimus atliko asocijuotasis profesorius Ritešas Agarvalas (Ritesh Argarwal) kartu su kolegomis iš Pensilvanijos universiteto Inžinerijos ir taikomųjų mokslų mokyklos Medžiagų mokslo ir inžinerijos fakulteto. Prie darbų taip pat prisidėjo Maiklas Turkas (Michael Turk) ir Džeimsas Kikava (James Kikkawa) iš Menų ir mokslų mokyklos Fizikos ir astronomijos fakulteto.
Tyrėjų darbas publikuotas prestižiniame žurnale „Nature Materials“.
„Kuomet sužadinamas puslaidininkis, šiam sugrįžti į pagrindinę būseną prireikia kelių nanosekundžių, be to, šį sugrįžimą palydi išspinduliuoti šviesos fotonai, – pasakoja R. Agarvalas. – Šis laiko tarpelis yra vadinamas emisijos trukme. Kitaip tariant, tai laikas, kuomet turime šviesą, taigi kartu ir laikas, kurio reikia, kad vyksmas būtų pakartotas“.
„Jeigu konstruojate moduliatorių – prietaisą, kuris persijunginėja, – jus apriboja ši laiko trukmės konstanta. Mums pavyko šį laiką sumažinti iki mažiau nei pikosekundės. Tai daugiau nei tūkstantį kartų spartesnis vyksmas už bet kurį šiuo metu sutinkamą“.
Puslaidininkiuose sužadintoji būsena pasireiškia tuomet, kad sistemą įgyja energijos, o pagrindinė būsena savo ruožtu atitinka energijos nebuvimą. Paprastai puslaidininkiai, esantys sužadintosios būsenos, pirmiausia turi „ataušti“, šiek tiek atiduodami energijos šilumos pavidalu, tuomet gali grįžti į pagrindinę būseną, likusią energijos dalį išspinduliuodami šviesos pavidalu. Pensilvanijos universiteto tyrėjų puslaidininkinės nanovielos gali pereiti iš didelės energijos sužadintosios būsenos į pagrindinę tiesiogiai – aplenkdamos ataušimo etapą.
Šį emisijos trukmės pagerinimą lemia unikali mokslininkų komandos sukonstruotų nanovielų konstrukcija. Jų vidų sudaro kadmio sulfidas – įprastinė nanovielų medžiaga. Tačiau šią šerdį gaubia silicio dioksidas ir išorinis sidabro sluoksnis. Sidabro danga įtakoja paviršiaus plazmonų (unikalios virpančių metalo elektronų ir šviesos kombinacijos) susidarymą. Šie paviršiaus plazmonai yra smarkiai apriboti silicio dioksido ir sidabro sluoksnių sandūros.
„Anksčiau buvo įprasta paimti tokią nanovielą, kurią naudojame ir mes, ir ją tiesiog pridėti prie metalo paviršiaus, – tęsia pasakojima R. Agarvalas. – Mes išlenkėme metalo paviršių ties vielute, taip sukurdami plazmoninę nanoertmę ir kartu akustiškosios galerijos efektą“.
Esant tam tikram nanovielos dydžiui, sidabro danga sukuria rezonanso kišenes, kurios leidžia pačioje nanostruktūroje izoliuoti elektromagnetinius laukus. Tuomet emisijos trukmę galima derinti, tiksliai valdant didelio intensyvumo elektromagnetinius laukus šviesą spinduliuojančios terpės (kadmio sulfido šerdies) viduje.
Tam, kad pasiektų femtosekundinę emisijos trukmę, tyrėjams reikėjo optimaliai subalansuoti šį tiksliai izoliuotą elektromagnetinį lauką, naudojant tam tikrą kokybės rodiklį – matavimą, nusakantį, kaip gerai ertmė sugeba išlaikyti energiją. Neparanku tai, kad kokybės rodiklis ir izoliavimas yra tarpusavyje susieti atvirkštiniu sąryšiu: kuo ertmės kokybės rodiklis yra aukštesnis, tuo ji yra didesnė ir tuo jos suteikiamas izoliavimas yra mažesnis. Vis dėlto pasirinkę optimalų kokybės rodiklį, tyrėjai sugebėjo gerokai padidinti elektrinio lauko izoliavimą nanovieloje, tam panaudodami rezonansinius paviršiaus plazmonus, leidusius pasiekti rekordinę emisijos trukmę.
Šis keliasdešimt kartų geresnis rezultatas turėtų praversti konstruojant šviesos diodus, detektorius ir kitus novatoriškus nanofotonikos įrenginius.
„Plazmoniniai kompiuteriai labai gerai išnaudotų šias nanovielas, – teigia R. Agarvalo kolega. – Mes galėtume moduliacijos spartą padidinti iki kelių terahercų, kai tuo tarpu elektroniniai kompiuteriai turi tenkintis viso labo keliais gigahercais“.
„Ta pati fizika galioja tiek emisijos, tiek absorbcijos reiškiniams, tad šios nanovielos taip pat galėtų būti panaudotos siekiant didesnės saulės elementų absorbcijos“, – baigia pasakojimą mokslininkas.
