Ważne odkrycie dotyczące zachowania polarytonów

Polarytony, kwazicząsteczki powstałe wskutek silnego sprzężenia fotonów i ekscytonów, wykazują jeszcze silniejsze sprzężenie, gdy trafiają do półprzewodnikowych struktur o wielkościach liczonych w nanometrach. To ważne odkrycie na polu fotoniki, dzięki której mogą powstać szybsze i mniejsze układy scalone, wykorzystujące do obliczeń i przesyłania danych światło w miejsce elektronów.

Ekscyton to połączenie elektronu, który ma ładunek ujemny, z dziurą o ładunku dodatnim. Światło oscyluje w polu elektromagnetycznym, zatem może łączyć się z ekscytonami. Gdy ich częstotliwości są zgodne, ich oscylacje wzmacniają się - wyjaśnia profesor Ritesh Agarwal z University of Pennsylvania.

Silne sprzężenie światła z materią to jedno z podstawowych zjawisk, na których opiera się fotonika. Dotychczas jednak przypuszczano, że siła ta zależy od półprzewodnika, w których znajdują się polarytony i jest w nim niezmienna. Tymczasem zespól Agarwala wykazał, że dzięki odpowiedniemu procesowi produkcyjnemu półprzewodnika można zmieniać siłę sprzężenia.

Do wielkości mniej więcej mikrometra siła sprzężeń w półprzewodniku jest stała. Jeśli jednak zejdzie się poniżej 500 nanometrów to, jak wykazaliśmy, siła ta dramatycznie rośnie - mówi Agarwal.

Już wcześniej próbowano tworzyć w półprzewodnikach tak małe polarytonowe wnęki, jednak chemiczne wytrawianie używane przy produkcji tego typu struktur niszczyło powierzchnię półprzewodników, a powstałe w ten sposób niedoskonałości więziły ekscytony czyniąc je bezużytecznymi.

Nasze nanokable z siarczku kadmu samodzielnie układają się w pożądane struktury, nie stosujemy chemicznego wytrawiania. Mimo to jakość powierzchni jest wciąż czynnikiem decydującym, dlatego też opracowaliśmy nową technikę pasywacji powierzchni. Hodujemy na powierzchni nanokabli powłokę z tlenku krzemu, co znacznie poprawia ich właściwości optyczne - wyjaśnia uczony. Taka powłoka wypełnia niedoskonałości na powierzchni nanokabli, zapobiegając uwięźnięciu w nich ekscytonów.

Uczeni opracowali też narzędzia i techniki służące do pomiaru siły sprzężenia światła z materią. Im silniejsze jest to sprzężenie, tym lepiej działają fotoniczne przełączniki. Tranzystory elektryczne działają dzięki temu, że elektrony wchodzą ze sobą w interakcje. Fotony tego nie robią. Aby takie przełączniki działały konieczne jest połączenie właściwości fotonów z materiałem, w którym się znajdują - dodaje Agarawal.

fotonika polaryton krzem foton ekscyton