Un equipo de investigadores de la Universidad de Osaka, Universidad de la Prefectura de Osaka, Universidad de la ciudad de Osaka, y la Universidad de la prefectura de Shiga han encontrado una desintegración radiativa excitónica más rápida que la desfasificación térmica a temperatura ambiente en películas delgadas de óxido de zinc (ZnO). Estos resultados, publicado recientemente en Cartas de revisión física , Reducirá en gran medida la pérdida de energía térmica en operaciones ópticas.

Un excitón es un estado ligado de un electrón y un agujero de electrones que se atraen entre sí. ZnO, que tiene una banda prohibida amplia y una alta estabilidad excitónica, se estudia como un material prometedor para varios dispositivos fotónicos, como diodos emisores de luz azul / ultravioleta, láseres ultravioleta, y baterías solares de absorción ultravioleta.

Los átomos y las moléculas pueden absorber la energía de la luz y saltar a un nivel de energía más alto (estado excitado), pero en el proceso inverso, conocido como emisión de luz, regresan al estado fundamental liberando la energía extra que absorbieron. A esto se le llama "proceso óptico". Para mejorar la eficiencia de emisión en dispositivos sólidos como diodos emisores de luz, es necesario fortalecer la interacción luz-materia y acelerar la absorción y emisión de luz; sin embargo, el rendimiento marginal de ZnO que consiste en bandas de excitones dobles (Figura 1b) no fue bien entendido.

Acelerar el proceso óptico es importante para lograr el ahorro de energía, dispositivos ópticos de alta eficiencia porque un proceso óptico más rápido que el desfase térmico reduciría la pérdida de energía térmica; sin embargo, no existían principios rectores claros para desarrollar dispositivos fotónicos de alta velocidad y se pensaba que la desintegración radiativa de los estados excitados en los sólidos tardaba al menos varias decenas de picosegundos (ps).

Los átomos y moléculas constituyentes de los sólidos desempeñan el papel de antenas dipolo cuyas energías excitadas se emiten en forma de luz. El tamaño de la expansión espacial de estas antenas determina la velocidad y la eficiencia de la radiación luminosa. o el rendimiento de dispositivos emisores de luz.

En este estudio, el equipo propuso una nueva teoría:un número macroscópico de átomos forma cooperativamente antenas gigantes ampliamente extendidas en cristales de ZnO y las "antenas gemelas" oscilan sincrónicamente reforzándose entre sí debido a la degeneración de la banda de valencia del ZnO. (Figura 1c)

En experimentos, midieron los tiempos de desintegración radiativa utilizando películas delgadas de ZnO de alta calidad (Figura 1a), demostrando que tuvo lugar una desintegración extremadamente rápida de poco menos de 20 femtosegundos (fs). (Figura 1d) Esta velocidad es tres órdenes de magnitud más rápida que la observada en semiconductores típicos e incluso más rápida que la velocidad del desfase térmico de los excitones a temperatura ambiente. lo que abrirá la vía hacia la realización de fotónica "ultrarrápida y sin térmicas".

El autor principal, Matsuda, dice:"En principio, el calor no se produce en un proceso óptico más rápido que el desfase térmico de los excitones, por lo que se puede decir que los resultados de nuestra investigación servirán como principio rector para desarrollar dispositivos fotónicos de próxima generación con no termogénicos, Consumo de energía ultrabajo de próxima generación. Los dispositivos ópticos convencionales generan calor y los dispositivos ópticos activos absorben la luz, en particular, aumentar el consumo de energía. Nuestra nueva teoría ayudará a hacer realidad una sociedad sostenible más allá de los límites de eficiencia energética que convencionalmente se dan por sentados ".