Utilizando técnicas de fabricación avanzadas, los ingenieros de la Universidad de California en San Diego han construido un dispositivo de nanoescala de cristales de plata que puede generar luz al "tunelizar" eficientemente los electrones a través de una pequeña barrera. El trabajo lleva la investigación de plasmónicos un paso más cerca de realizar ultra-fuentes de luz compactas para procesamiento óptico de datos de alta velocidad y otras aplicaciones en chip.
El trabajo se publica el 23 de julio en Fotónica de la naturaleza .
El dispositivo emite luz por un fenómeno mecánico cuántico conocido como túnel de electrones inelástico. En este proceso, los electrones se mueven a través de una barrera sólida que no pueden cruzar de manera clásica. Y mientras cruzan, los electrones pierden algo de su energía, creando fotones o fononesen el proceso.
Los investigadores de Plasmonics se han interesado en utilizar túneles de electrones inelásticos para crear fuentes de luz extremadamente pequeñas con gran ancho de banda de modulación. Sin embargo, debido a que solo una pequeña fracción de electrones puede hacer un túnel inelástico, la eficiencia de la emisión de luz es generalmente baja, del orden deunas centésimas de porcentaje, como máximo.
Los ingenieros de UC San Diego crearon un dispositivo que aumenta esa eficiencia hasta aproximadamente un dos por ciento. Si bien aún no es lo suficientemente alto para un uso práctico, es el primer paso hacia un nuevo tipo de fuente de luz, dijo Zhaowei Liu, profesor deIngeniería eléctrica e informática en la Escuela de Ingeniería UC San Diego Jacobs.
"Estamos explorando una nueva forma de generar luz", dijo Liu.
El equipo de Liu diseñó el nuevo dispositivo emisor de luz usando métodos computacionales y simulaciones numéricas. Investigadores en el laboratorio de Andrea Tao, profesora de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería UC San Diego Jacobs, luego construyeron el dispositivo usando técnicas avanzadas de química basadas en soluciones.
El dispositivo es una pequeña nanoestructura plasmónica en forma de corbata de lazo que consta de dos cristales cuboides de plata unidos en una esquina. Conectando las esquinas hay una barrera aislante de 1.5 nanómetros de ancho hecha de un polímero llamado polivinilpirrolidona PVP.
Esta pequeña unión de metal-aislante-metal plata-PVP-plata es donde ocurre la acción. Los electrodos conectados a los nanocristales permiten que se aplique voltaje al dispositivo. A medida que los electrones hacen un túnel desde una esquina de un nanocristal de plata a través del pequeñoBarrera PVP, transfieren energía a los polaritones de plasmón superficial ondas electromagnéticas que viajan a lo largo de la interfaz del aislador de metal que luego convierten esa energía en fotones.
Pero lo que hace que esta unión en particular sea más eficiente para tunelizar electrones inelásticamente es su geometría y su tamaño extremadamente pequeño. Al unir dos cristales únicos plateados en sus esquinas con una pequeña barrera de aislante en el medio, los investigadores esencialmente crearon una antena óptica de alta calidad conUna alta densidad local de estados ópticos, lo que resulta en una conversión más eficiente de la energía electrónica en luz.
Las uniones metal-aislante-metal han tenido una eficiencia de emisión de luz tan baja en el pasado porque fueron construidas uniendo cristales metálicos a lo largo de una cara entera, en lugar de una esquina, explicó Liu. Dando a los electrones una antena óptica de alta calidad con un tamaño mucho más pequeñoEl espacio entre túneles permite una emisión de luz eficiente, y este tipo de estructura ha sido difícil de fabricar con los métodos de nanolitografía utilizados en el pasado, dijo.
"Utilizando la química, podemos construir estas uniones precisas de tamaño nanométrico que permiten una emisión de luz más eficiente", dijo Tao. "Las técnicas de fabricación que utilizamos nos dan el control del nivel atómico de nuestros materiales; podemos determinar el tamaño y la forma de los cristales ensolución basada en los reactivos que usamos, y podemos crear estructuras que tengan caras atómicamente planas y esquinas extremadamente afiladas ".
Con trabajo adicional, el equipo apunta a aumentar aún más la eficiencia en otro orden de magnitud más alto. Están explorando diferentes geometrías y materiales para futuros estudios.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Original escrito por Liezel Labios. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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