Sprzężone polarytony stają się silniejsze

Naukowcy z University of Pennsylvania w USA zapostulowali, że polarytony sprzęgają się dużo silniej, gdy znajdują się w obiektach półprzewodnikowych o nanometrowych rozmiarach. Uzyskany wynik mógłby zostać wykorzystany m.in. w strukturach fotonicznych.

Polarytony a urządzenia fotoniczne

Polarytonem nazywamy kwazicząstkę opisującą oddziaływanie światła z półprzewodnikami oraz innymi materiałami, powstającą wskutek silnego sprzężenia fotonów oraz ekscytonów (związanych par elektron – dziura). Od wielu już lat oczekuje się, że polarytony powinny odgrywać istotną rolę w urządzeniach fotonicznych tj. urządzeniach wykorzystujących światło w procesach przetwarzania informacji. Takie struktury, według założeń, miałyby być znacznie szybsze i bardziej energooszczędne w porównaniu z ich elektronicznymi odpowiednikami. Dodatkowo, aby jeszcze bardziej wpłynąć na poprawę własności takich urządzeń, poszukuje się sposobów na uzyskanie silnego sprzężenia między polarytonami, które w przypadku objętościowych (litych) półprzewodników jest silnie ograniczone przez ich właściwości.

Zdaniem Ritesha Agarwala oraz jego współpracowników z University of Pennsylvania (USA) ograniczenie to może zostać przezwyciężone pod warunkiem zastosowania odpowiednich technik i procesów wytwarzania struktur półprzewodnikowych. Siła sprzężenia pomiędzy światłem a materią jest zdeterminowana rozmiarem obiektu (np. półprzewodnika) i wzrasta gwałtownie, gdy jego rozmiar staje się mniejszy niż 500 nanometrów. „W przypadku obiektów o dużych rozmiarach, powierzchnia nie jest aż tak istotna”, powiedział Agarwal. „Stosunek powierzchni do objętości, a więc liczba atomów znajdująca się na powierzchni podzielona przez liczbę atomów w całym materiale, jest bardzo małą liczbą. W przypadku bardzo małej struktury, np. 100 nanometrowej, liczba ta znacząco wzrasta (…), a procesy zachodzące na powierzchni, krytycznie determinują właściwości takiego obiektu.” Wielu naukowców znacznie wcześniej próbowało wytworzyć polarytonowe wnęki rezonansowe (ang. cavity) o tak małych rozmiarach, jednak sposób ich wykonania, przy pomocy chemicznego trawienia, powodował tworzenie się wielu defektów, które powodowały pułapkowanie ekscytonów.

Samozorganizowane nanodruty

Zespół Agarwala rozwiązał powyższy problem poprzez wyhodowanie samoorganizujących się nanodrutów wykonanych z siarczku kadmu (CdS). Jakość powierzchni i tym razem stanowiła problem, dlatego też koniecznym było opracowanie metody pasywacji powierzchni nanodrutów poprzez pokrywanie ich warstwą tlenku krzemu. Rozwiązanie to znacznie poprawiło właściwości optyczne nanodrutów, ponieważ powłoka tlenku krzemu wypełniała luki na ich powierzchni, zapobiegając tym samym pułapkowaniu ekscytonów przez stany powierzchniowe. Dodatkowo, bazując na detekcji energii fal stojących powstających we wnękach rezonansowych, naukowcom udało się opracować również nowe techniki pomiarowe służące do pomiaru siły sprzężenia światło – materia. Jak udało się wykazać, za efekt wzmocnienia tego oddziaływania odpowiada zmniejszony rozmiar struktur półprzewodnikowych. Silne sprzężenie światło – materia może wpłynąć na szybszą komutację fotoniczną oraz przyczynić się do poprawy wydajności działania laserów polarytonowych, diód LED oraz wzmacniaczy.

Zdaniem niektórych naukowców wyniki uzyskane przez grupę z University of Pennsylvania są mocno „przesadzone”. Inni, z kolei, są nieco bardziej entuzjastyczni. „Zaprezentowana metoda wygląda na interesujący dodatek do szeregu wielu metod służących do badania efektów sprzężenia światła z materią w półprzewodnikach”, powiedział Jeremy Baumberg z University of Cambridge’s Cavendish Laboratory w Wielkiej Brytanii. „Wyniki demonstrują nowy sposób wpływania na zmniejszenie objętości wnęk rezonansowych, poprzez wykorzystanie nanodrutów o dużym współczynniku załamania światła, silnie wiążących fotony. Szybkość, z jaką zachodzi konwersja energii pomiędzy światłem a ekscytonami zależy od odwrotności pierwiastka kwadratowego objętości, w której światło to jest pułapkowane. Tutaj rozmiar półprzewodnika jest tak dobierany, aby zwiększyć stopień oraz szybkość procesu uwięzienia światła w stopniu większym niż normalnie, powodując tym samym silniejsze sprzężenie pomiędzy polarytonami.”

„Opisany eksperyment jest bardzo interesujący i wyznacza nowy kierunek w tworzeniu silnych sprzężonych układów działających w temperaturze pokojowej, lecz posiada także pewne wady”, ostrzegł Baumberg. „Światło może w wielu kierunkach „wypływać” z takiej struktury i wobec tego może nie być wystarczająco dobrze pułapkowane. Udoskonalenia powinny polegać na znacznie lepszej kontroli długości, szerokości, orientacji oraz sprzężenia światła z nanodrutem,” dodał.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com