Teamwork får lyset til at skinne stadig klarere

Hvis du leder efter en teknik til at maksimere fotonoutput fra plasmoner, hold op. Det kræver to at skændes.

Rice University fysikere stødte på et fænomen, der booster lyset fra en nanoskala enhed mere end 1, 000 gange større end de havde forventet.

Når man ser på lys, der kommer fra et plasmonisk kryds, et mikroskopisk mellemrum mellem to guld nanotråde, der er forhold, hvor anvendelse af optisk eller elektrisk energi individuelt kun medførte en beskeden mængde lysemission. Ved at anvende begge sammen, imidlertid, forårsagede et lysudbrud, der langt oversteg outputtet under hver enkelt stimulus.

Forskerne ledet af Rice-fysikeren Douglas Natelson og hovedforfatterne Longji Cui og Yunxuan Zhu fandt effekten, mens de fulgte op på eksperimenter, der opdagede, at kørsel af strøm gennem mellemrummet øgede antallet af lysemitterende 'varme bærer'-elektroner i elektroderne.

Nu ved de, at tilføjelse af energi fra en laser til det samme kryds gør det endnu lysere. Effekten kunne bruges til at lave nanofotoniske switche til computerchips og til avancerede fotokatalysatorer.

Detaljerne fremgår af tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver.

"Det har været kendt i lang tid, at det er muligt at få en lysemission fra disse små strukturer, " sagde Natelson. "I vores tidligere arbejde, vi viste, at plasmoner spiller en vigtig rolle i at generere meget varme ladningsbærere, svarende til et par tusinde grader."

Plasmoner er bølger af ladning, der bærer energi, og når den udløses, strømme hen over overfladen af ​​visse metaller, inklusive guld. I den spændingsdrevne mekanisme, elektroner tunnelerer gennem hullet, spændende plasmoner, hvilket fører til, at varme elektroner rekombinerer med elektron "huller" og udsender fotoner i processen.

Selvom effekten virkede dramatisk på det tidspunkt, det blegnede i forhold til den nye opdagelse.

"Jeg kan godt lide ideen om '1+1=1, 000, '" sagde Natelson. "Du gør to ting, som hver især ikke giver dig meget lys i dette energiområde, men sammen, hellig ko! Der kommer meget lys ud."

De specifikke mekanismer er værd at undersøge nærmere, han sagde. En mulighed er, at optiske og elektriske drev kombineres for at forbedre genereringen af ​​varme elektroner. Et alternativ er, at lysemissionen får et løft via anti-Stokes elektronisk Raman-spredning. I den proces, lysinput beder allerede ophidsede hot carriers til at slappe af tilbage til deres grundtilstande, frigiver flere fotoner.

"Der foregår noget interessant, hvor hver af disse individuelle excitationer ikke er nok til at give dig den mængde lys, der kommer ud, " sagde Natelson. "Men sæt dem sammen, og den effektive temperatur er meget højere. Det er en mulig forklaring:at lyseffekten er en eksponentiel funktion af temperaturen. At nå den effektive temperatur tager hundredvis af femtosekunder.

"Raman-mekanismen er mere subtil, hvor lyset kommer ind, henter energi fra spændingen, og endnu stærkere lyse blade, " sagde han. "Det sker endnu hurtigere, så et tidsafhængigt eksperiment kunne sandsynligvis hjælpe os med at finde ud af den dominerende mekanisme.

"Grunden til, at det er pænt, er, at du kan, i princippet, koble det elektriske drev og lyset ind for at gøre alle mulige ting, " sagde Natelson. "Hvis det varme transportørbillede er rigtigt, der er mulighed for at lave noget interessant kemi."

Medforfattere til papiret er Peter Nordlander, Wiess-stolen i fysik og astronomi og professor i elektro- og computerteknik og i materialevidenskab og nanoteknik ved Rice, og Massimiliano Di Ventra, professor i fysik ved University of California, San Diego. Cui, en tidligere postdoc ved Rice, er nu assisterende professor i maskinteknik og materialevidenskab og teknik ved University of Colorado Boulder. Zhu er en kandidatstuderende på Rice. Natelson er formand og professor i fysik og astronomi og professor i elektro- og computerteknik og i materialevidenskab og nanoteknik.