«Фотонный клей» создал новое квантово-механическое состояние
Свет может стать фотонным «клеем», соединяющим квантово-механические свойства двух совершенно различных материалов – и так взять у каждого самое полезное, для гибридных солнечных элементов и мощных осветительных приборов. Американские исследователи «склеили» светом органические и неорганические полупроводники, в так называемой оптической полости – наноразмерном волокне, выстланном зеркальным покрытием.
Полупроводники – это материалы, электропроводимость которых можно регулировать за счет примесей (т.н. примесных атомов). Без них невозможно себе представить электронные устройства, а также светодиоды и солнечные батареи. Органические полупроводники изготавливают из богатых углеродами соединений (не обязательно органического происхождения, но похожих на органику). Хотя в популярности они пока уступают кремнию и другим «классическим» материалам, их ждет блестящее будущее – это недорогие, гибкие полупроводники, которые можно даже «размазывать» по листам пластмассы.
«Разработка нелинейных оптических материалов, свойства которых превосходят естественные – необходимая мера для создания фотонных технологий нового поколения, опирающихся на квантовые свойства света. Можно представить себе оптический переключатель, где один фотон используется для включения/отключения пути второго – один из “кирпичиков” квантовых вычислительных и коммуникационных устройств», - рассказывает Винод Менон (Vinod Menon), адъюнкт-профессор физики Квинс-колледжа (Нью-Йорк).
Ученые начали с неорганического полупроводника (оксид цинка) и «нарезали» его на нанопровода, а потом окружили органическим материалом: нафталинтетракарбоновым диангидридом (NTCDA).
«Мы выбрали эти два материала потому, что энергия их возбужденного состояния примерно равна (т.е., они находятся в резонансе друг с другом). А затем мы втиснули их между двух зеркал, создав оптическую полость – ловушку для фотонов. Ее энергия также равна энергии возбужденных состояний. В результате получилось третье, уникальное квантовое состояние: сочетание фотона и возбужденных состояний в органическом и неорганическом полупроводниках», - рассказывает Стивен Форрест (Stephen Forrest), профессор физики и материаловедения Университета Мичигана.
Форрест сравнил всю конструкцию с двумя маятниками, связанными пружиной. Маятники – это экситоны, пары электрон-дырка. Электрон является отрицательно заряженной субатомной частицей, а дырка, в данном контексте, - это отсутствие электрона. В полупроводниковых материалах дырка носит положительный заряд.
В оптической полости фотон, по сути, «склеивает» все эти квантово-механические состояния. Получается уникальное и многообещающее состояние, которое способно переносить энергию от одного вещества к другому. Ученые назвали его «поляритон».
Исследование представлено в журнале Physical Review Letters.
По материалам пресс-релиза Университета Мичигана.
Артём Космарский nauka21vek.ru