Styring af de optiske egenskaber af faste stoffer med akustiske bølger

Fysikere fra Schweiz, Tyskland, og Frankrig har fundet ud af, at akustiske bølger med stor amplitude, lanceret af ultrakorte laserimpulser, kan dynamisk manipulere den optiske respons af halvledere.

En af hovedudfordringerne inden for materialevidenskabelig forskning er at opnå høj afstemning af halvlederes optiske egenskaber ved stuetemperatur. Disse egenskaber er styret af "excitoner, " som er bundne par af negative elektroner og positive huller i en halvleder.

Excitoner er blevet stadig vigtigere inden for optoelektronik, og de sidste år har været vidne til en stigning i søgen efter kontrolparametre - temperatur, tryk, elektriske og magnetiske felter - der kan tune excitoniske egenskaber. Imidlertid, moderat store ændringer er kun opnået under ligevægtsforhold og ved lave temperaturer. Betydelige ændringer ved omgivelsestemperaturer, der er vigtige for applikationer, har hidtil manglet.

Dette er nu netop blevet opnået i laboratoriet hos Majed Chergui ved EPFL i Lausanne Center for Ultrafast Science, i samarbejde med teorigrupperne for Angel Rubio (Max-Planck Institute, Hamborg) og Pascal Ruello (Université de Le Mans). Udgiver i Videnskab fremskridt , det internationale hold viser, for første gang, kontrol af excitoniske egenskaber ved hjælp af akustiske bølger. At gøre dette, forskerne lancerede en højfrekvens (hundredevis af gigahertz), akustisk bølge med stor amplitude i et materiale ved hjælp af ultrakorte laserimpulser. Denne strategi giver yderligere mulighed for dynamisk manipulation af excitonegenskaberne ved høj hastighed.

Dette bemærkelsesværdige resultat blev opnået på titaniumdioxid ved stuetemperatur, en billig og rigelig halvleder, der bruges i en bred vifte af lysenergikonverteringsteknologier såsom fotovoltaik, fotokatalyse, og transparente ledende substrater.

"Vores resultater og den komplette beskrivelse tilbyder åbne meget spændende perspektiver for applikationer såsom billige akusto-optiske enheder eller sensorteknologi til ekstern mekanisk belastning, " siger Majed Chergui. "Brugen af ​​højfrekvente akustiske bølger, som dem, der genereres af ultrakorte laserpulser, som kontrolskemaer af excitoner baner en ny æra for akusto-excitonik og aktiv-excitonik, analogt med aktiv plasmonik, som udnytter plasmonexcitationer af metaller."

"Disse resultater er kun begyndelsen på, hvad der kan udforskes ved at lancere højfrekvente akustiske bølger i materialer, " tilføjer Edoardo Baldini, hovedforfatteren til artiklen, som i øjeblikket er på MIT. "Vi forventer at bruge dem i fremtiden til at kontrollere de fundamentale interaktioner, der styrer magnetisme eller udløse nye faseovergange i komplekse faste stoffer."