光的快速切換和調(diào)制是現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵模渲行畔⑼ㄟ^光纖電纜以調(diào)制光束的形式發(fā)送。多年來，光調(diào)制器的小型化并將其集成到芯片中已經(jīng)成為可能，但光源本身——發(fā)光二極管(LED)或激光器——仍然給工程師帶來了問題。
由LukasNovotny教授領(lǐng)導(dǎo)的蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究小組與杜本多夫EMPA和巴塞羅那ICFO的同事一起，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)了一種新機(jī)制，可以在未來產(chǎn)生微小但高效的光源。他們的研究結(jié)果最近發(fā)表在《自然材料》雜志上。
嘗試意想不到的事情
“為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們首先必須嘗試意想不到的事情，”諾沃特尼說。多年來，他和他的同事一直致力于基于隧道效應(yīng)的微型光源的研究。在由絕緣材料分隔的兩個電極(在本例中由金和石墨烯制成)之間，電子可以根據(jù)量子力學(xué)規(guī)則進(jìn)行隧道傳輸。在特定情況下——也就是說，如果隧道過程是非彈性的，這意味著電子的能量不守恒——就可以產(chǎn)生光。
“不幸的是，這些光源的產(chǎn)量相當(dāng)?shù)?，因為輻射發(fā)射效率非常低，”博士后SotiriosPapadopoulos解釋道。這種排放問題在其他技術(shù)領(lǐng)域是眾所周知的。例如，在手機(jī)中，產(chǎn)生傳輸所需微波的芯片尺寸只有幾毫米。
相比之下，微波本身的波長約為20厘米，這使得它們比芯片大一百倍。為了克服這種尺寸差異，需要天線(在現(xiàn)代手機(jī)中，實(shí)際上從外部不再可見)。同樣，在蘇黎世研究人員的實(shí)驗中，光的波長遠(yuǎn)大于光源的波長。
隧道結(jié)外的半導(dǎo)體
“那么，人們可能會認(rèn)為我們有意識地尋找天線解決方案，但實(shí)際上我們沒有，”帕帕佐普洛斯說。與之前的其他小組一樣，研究人員正在研究半導(dǎo)體材料層，例如夾在隧道結(jié)電極之間的單原子厚度的二硫化鎢，以便以這種方式產(chǎn)生光。
原則上，人們會假設(shè)最佳位置應(yīng)該位于兩個電極之間的某個位置，可能距離一個電極比另一個電極更近一些。相反，研究人員嘗試了完全不同的方法，將半導(dǎo)體放在石墨烯電極的頂部——完全在隧道結(jié)之外。
令人驚訝的天線動作
令人驚訝的是，這種看似不合邏輯的立場卻起到了很好的作用。研究人員通過改變施加到隧道結(jié)的電壓并測量流過它的電流找到了原因。該測量顯示出明顯的共振，這與半導(dǎo)體材料的所謂激子共振相匹配。
激子由帶正電的空穴(對應(yīng)于缺失的電子)和被空穴束縛的電子組成。例如，它們可以通過光照射而被激發(fā)。激子共振是一個明顯的跡象，表明半導(dǎo)體不是直接被電荷載流子激發(fā)的——畢竟，沒有電子流過它——而是它吸收了隧道結(jié)中產(chǎn)生的能量，然后重新發(fā)射它。換句話說，它的作用非常像天線。
在納米級光源中的應(yīng)用
“目前，這種天線還不是很好，因為在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生了所謂的暗激子，這意味著發(fā)出的光不多，”諾沃特尼承認(rèn)。“改善這一點(diǎn)將是我們近期的功課。”如果研究人員成功地提高了半導(dǎo)體的光發(fā)射效率，那么就有可能制造出尺寸僅為幾納米的光源，因此比它們產(chǎn)生的光的波長小一千倍。
由于沒有電子流過半導(dǎo)體天線，因此也不存在通常在邊界處發(fā)生并可能降低效率的不良效應(yīng)。“無論如何，我們已經(jīng)為新的應(yīng)用程序打開了大門，”諾沃特尼說。嘗試意想不到的事情顯然得到了回報。
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