Los arquitectos del Renacimiento demostraron su comprensión de la geometría y la física cuando construyeron susurrantes galerías en sus catedrales. Estas cámaras circulares fueron diseñadas para amplificar y dirigir ondas de sonido de modo que, al estar de pie en el lugar correcto, se escuchó un susurro desde el otro lado de la habitación. Ahora, Los científicos de la Universidad de Pensilvania han aplicado el mismo principio en la nanoescala para reducir drásticamente la vida útil de las emisiones. una propiedad clave de los semiconductores, lo que puede conducir al desarrollo de nuevos dispositivos fotónicos ultrarrápidos.

La investigación fue realizada por el profesor asociado Ritesh Agarwal, becarios postdoctorales Chang-Hee Cho y Sung-Wook Nam y el estudiante graduado Carlos O. Aspetti, todo el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn. Michael E. Turk y James M. Kikkawa del Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Artes y Ciencias también contribuyeron al estudio.

Su investigación fue publicada en la revista Materiales de la naturaleza .

"Cuando excitas un semiconductor, luego se necesitan unos pocos nanosegundos para volver al estado fundamental acompañado de la emisión de luz, "Dijo Agarwal." Esa es la vida útil de las emisiones. Es aproximadamente la cantidad de tiempo que la luz está encendida, y de ahí la cantidad de tiempo que tarda en estar listo para volver a encenderse.

"Si estás haciendo un modulador, algo que cambia de un lado a otro, estás limitado por esta constante de tiempo. Lo que hemos hecho es reducirlo a menos de un picosegundo. Es más de mil veces más rápido que cualquier cosa disponible actualmente ".

En semiconductores, el estado excitado es cuando la energía está presente en el sistema, y el estado fundamental es cuando no hay ninguno. Normalmente, el semiconductor primero debe "enfriarse" en el estado excitado, liberando energía en forma de calor, antes de "saltar" de nuevo al estado fundamental, liberando la energía restante en forma de luz. Los nanocables semiconductores del equipo de Penn, sin embargo, puede saltar directamente desde un estado excitado de alta energía al suelo, todo menos eliminando el período de enfriamiento.

El avance en la vida útil de las emisiones se debe a la construcción única de los nanocables del equipo. En su esencia, son sulfuro de cadmio, un material de nanocables común. Pero también están envueltos en una capa amortiguadora de dióxido de silicio, y, críticamente, una capa exterior de plata. El recubrimiento de plata soporta lo que se conoce como plasmones de superficie, ondas únicas que son una combinación de electrones metálicos oscilantes y de luz. Estos plasmones de superficie están muy confinados a la superficie donde se encuentran las capas de dióxido de silicio y plata.

"El estado de la técnica anterior era utilizar un nanoalambre, como el nuestro, y colocándolo sobre una superficie de metal, ", Dijo Agarwal." Curvamos la superficie de metal alrededor del cable, haciendo una cavidad plasmónica a nanoescala completa y el efecto de galería susurrante ".

Para ciertos tamaños de nanocables, el recubrimiento de plata crea bolsas de resonancia y, por lo tanto, campos electromagnéticos muy confinados dentro de la nanoestructura. La vida útil de las emisiones se puede diseñar controlando con precisión los campos electromagnéticos de alta intensidad dentro del medio emisor de luz. que es el núcleo de sulfuro de cadmio.

Para alcanzar una vida útil de las emisiones medida en femtosegundos, los investigadores necesitaban equilibrar de manera óptima este campo electromagnético de alto confinamiento con un "factor de calidad, "la medición de qué tan buena es una cavidad para almacenar energía. Para complicar las cosas, factor de calidad y confinamiento tienen una relación inversa; the higher the quality-factor a cavity has the bigger it is and the smaller its confinement. Sin embargo, by opting for a reasonable quality factor, the researchers could vastly increase the confinement of the electric field inside the nanowire by using resonant surface plasmons and get the record-breaking emission lifetime.

This many-orders-of-magnitude improvement could find a home in a variety of applications such as LEDs, detectors and other nanophotonic devices with novel properties.

"Plasmonic computers could make good use of these nanowires, " Cho said. "We could increase modulation speed into the terahertz range whereas electronic computers are limited to a few gigahertz range."

"The same physics governs emission and absorption, so these nanowires could also be used for increasing efficiency of absorption in solar cells, " Agarwal said.