Повторное открытие спонтанной эмиссии светового излучения

24-03-2015: UEFIMA.RU:  Исследователи из лаборатории Лоуренса в Беркли (США) создали наноразмерную оптическую антенну, которая существенно усиливает спонтанную эмиссию светового излучения атомов, молекул и полупроводниковых квантовых точек. Это достижение открывает дверь к созданию светоизлучающих диодов (LED-технология), способных заменить лазеры в сфере оптических коммуникаций малого радиуса действия (соединения микрочипов, к примеру). С изобретением лазера произвольные эмиссии света рассматриваются в перспективе стимулированного светоизлучения, говорит Эли Яблонович, электроинженер отделения материалистических исследований лаборатории в Беркли. Тем не менее, как демонстрируют эксперименты, подходящая оптическая антенна делает спонтанные эмиссии быстрее стимулированных.

Яблонович также работает в Университете Калифорнии (Беркли), где руководит Центром Энергоэффективной Электроники, является научным сотрудником Института Энергетических Нанонаук Кавли (Беркли). В новом исследовании он вместе со своей командой использовал внешнюю антенну, сделанную из золота, для эффективного усиления спонтанных эмиссий света наностержнем в 115 раз. Наностержень состоял из арсенид-фосфида галлия-индия (InGaAsP). Это приближение в 200-кратному увеличению, которое считается ориентиром в разнице скоростей спонтанных и стимулированных эмиссий. Когда этот ориентир пройден, уровень произвольного светоизлучения начинает превышать уровень стимулированного.

С помощью оптических антенн исследователи надеются увеличить уровень спонтанных эмиссий более чем в 2500 раз, поддерживая при этом эффективность на уровне не ниже 50%. Замена проводов в микрочипах на LED-антенны обеспечит повышение их вычислительно мощности и взаимосвязанности.

Результаты исследования были опубликованы в «Делопроизводстве Национальной Академии Наук» (Proceedings of the National Academy of Sciences).

В мире высоких технологий лазеры вездесущи, являясь основной «рабочей лошадкой» высокоскоростных оптических коммуникаций. Они, тем не менее, имеют и свои недостатки, касающиеся, к примеру, работы на коротких расстояниях (меньше метра). В данном случае они потребляют слишком много энергии и занимают слишком много места. LED-технология обещает быть намного эффективнее, но пока ограничена текущим уровнем спонтанных эмиссий света.

Спонтанные эмиссии излучателей молекулярных размеров сдерживаются многими порядками величин, поскольку молекулы слишком малы, чтобы выполнять функцию антенны. Ключ к увеличению скорости произвольного светоизлучения - сочетание излучающей молекулы и антенны с половиной длины волн. На протяжении последних 120-ти лет антенны используются в радиовещании, а вот их потенциал в области оптики практически не изучен.

Для создания своей оптической антенны Яблонович и коллеги использовали арочную конфигурацию. Поверхность квадратного наностержня была затянута в слой двуокиси титана, что обеспечило его изоляцию от золотого провода (располагался перпендикулярно к наностержню, формируя антенну).

Полупроводник, сыгравший роль вещества, произвольно эмитирующего световые волны, уже нашел широкое применение в области инфракрасных лазерных коммуникаций и фотодетекторов.

Кроме использования в сфере коммуникаций малого радиуса действия LED-технологии в сочетании с оптическими антеннами можно применять в создании фотодетекторов и в формировании изображений. Также они могут найти применение в областях хранения данных и создания биочувствительных электродов.