Nanokristallen emitteren licht dankzij tunnelende elektronen

7 augustus 2018, 00:00
Artist impression van twee zilverkristallen op nanoschaal die licht genereren door inelastische elektronentunneling (afbeelding: Steven Bopp).
Artist impression van twee zilverkristallen op nanoschaal die licht genereren door inelastische elektronentunneling (afbeelding: Steven Bopp).

Met behulp van geavanceerde fabricagetechnieken hebben onderzoekers aan de University of California San Diego een nanostructuur van zilverkristallen gebouwd die licht genereert door op efficiënte manier elektronen door een minuscule barrière te laten ‘tunnelen’. Hiermee komen ultracompacte lichtbronnen voor high-speed optische dataverwerking en andere on-chip applicaties een stapje dichterbij.

Tunneling

Verantwoordelijk voor de emissie van licht is een quantummechanisch fenomeen met de naam inelastic electron tunneling. Daarbij bewegen elektronen zich door een vaste barrière waar ze volgens de klassieke mechanica niet doorheen kunnen komen. Bij het ‘oversteken’ van deze barrière verliezen de elektronen een beetje van hun energie, waardoor ofwel fotonen (licht) ofwel fononen (discrete energiequanta) worden geproduceerd.

Rendement

Onderzoekers op het gebied van plasmonica (quantumoscillaties) zijn in inelastische elektronentunneling geïnteresseerd omdat daarmee extreem kleine lichtbronnen kunnen worden gemaakt met een grote modulatiebandbreedte. Tot nog toe was het rendement van dergelijke processen zeer gering — in de orde van grootte van een paar honderdsten van een procent. De onderzoekers van UC San Diego zijn er echter in geslaagd dit rendement naar ongeveer 2 procent op te voeren — de eerste stap op weg naar een nieuwe lichtbron.
 

Links: schema van de tunneljunctie met een isolerende barrière van polyvinylpyrrolidone; rechts: elektronenmicroscopische opname van de tunneljunctie; de spleet is ongeveer 1,5 nm breed (afbeelding: Haoliang Qian/Nature Photonics).

Vlinderdas

De structuur ziet er in de praktijk een beetje als een vlinderdas uit, bestaande uit twee rechthoekige zilver-monokristallen die elkaar op een hoek (bijna) raken. Daartussen bevindt zich een 1,5 nm brede isolator die van een polymeer met de fraaie naam polyvinylpyrrolidone is gemaakt. En precies daar vindt de actie plaats. Via elektroden worden de kristallen onder spanning gezet; terwijl elektronen van het ene kristal door de PVP-barrière naar het andere kristal tunnelen, staan ze energie af aan elektromagnetische oppervlaktegolven (surface plasmon polaritons) die zich langs de grens tussen metaal en isolator voortbewegen en die energie in fotonen omzetten.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Photonics.

Reacties worden ingeladen...
gerelateerde items