Brzo prebacivanje i modulacija svetlosti je u srcu, između ostalog, savremenog prenosa podataka, u kome se informacije šalju preko optičkih kablova u obliku modulisanih svetlosnih snopova. Već nekoliko godina moguće je minijaturizirati modulatore svjetlosti i integrirati ih u čipove, ali sami izvori svjetlosti — diode koje emituju svjetlost (LED) ili laseri — i dalje predstavljaju probleme inženjerima.
Tim istraživača na ETH Cirihu, predvođen prof. Lukasom Novotnijem, zajedno sa kolegama iz EMPA u Dibendorfu i ICFO u Barseloni, sada je pronašao novi mehanizam pomoću kojeg bi se u budućnosti mogli proizvoditi sićušni, ali efikasni izvori svetlosti. Rezultati njihovog istraživanja nedavno su objavljeni u časopisu Nature Materials.
„Da bismo ovo postigli, prvo smo morali da pokušamo neočekivano“, kaže Novotni. Već nekoliko godina on i njegovi saradnici rade na minijaturnim izvorima svetlosti koji se zasnivaju na efektu tunela. Između dve elektrode (u ovom slučaju napravljene od zlata i grafena) odvojene izolacionim materijalom, elektroni mogu tunelirati prema pravilima kvantne mehanike. Pod određenim okolnostima – to jest, ako je tunelski proces neelastičan, što znači da energija elektrona nije očuvana – može se stvoriti svetlost.
„Nažalost, prinos tih izvora svetlosti je prilično slab jer je emisija zračenja veoma neefikasna“, objašnjava postdok Sotirios Papadopulos. Ovaj problem emisije je dobro poznat u drugim oblastima tehnologije. U mobilnim telefonima, na primer, čipovi koji stvaraju mikrotalasne pećnice potrebne za prenos su veličine samo nekoliko milimetara.
Nasuprot tome, same mikrotalasne pećnice imaju talasnu dužinu od oko 20 centimetara, što ih čini sto puta većim od čipa. Da bi se prevazišla ova razlika u veličini potrebna je antena (koja u modernim telefonima zapravo više nije vidljiva spolja). Isto tako, u eksperimentima ciriških istraživača, talasna dužina svetlosti je mnogo veća od izvora svetlosti.
„Moglo bi se onda pomisliti da smo svesno tražili rešenje za antenu — ali u stvarnosti nismo“, kaže Papadopulos. Kao i druge grupe pre njih, istraživači su istraživali slojeve poluprovodničkih materijala kao što je volfram disulfid sa debljinom od jednog atoma u sendviču između elektroda tunelskog spoja kako bi na ovaj način stvorili svetlost.
U principu bi se pretpostavilo da bi optimalna pozicija trebala biti negde između dve elektrode, možda malo bliže jednoj nego drugoj. Umesto toga, istraživači su pokušali nešto potpuno drugačije stavljanjem poluprovodnika na vrh grafenske elektrode – potpuno izvan tunelskog spoja.
Iznenađujuće, ova naizgled nelogična pozicija je veoma dobro funkcionisala. Istraživači su otkrili razlog za ovo variranjem napona primenjenog na spoj tunela i merenjem struje koja teče kroz njega. Ovo merenje je pokazalo jasnu rezonancu, koja je odgovarala takozvanoj ekscitonskoj rezonanciji poluprovodničkog materijala.
Eksitoni su napravljeni od pozitivno naelektrisane rupe, koja odgovara elektronu koji nedostaje, i elektrona vezanog za rupu. Oni mogu biti uzbuđeni, na primer, svetlosnim zračenjem. Ekscitonska rezonanca je bila jasan znak da poluprovodnik nije bio direktno pobuđen nosiocima naelektrisanja — na kraju krajeva, nije bilo elektrona koji su prolazili kroz njega — već da je apsorbovao energiju stvorenu u tunelskom spoju i kasnije je ponovo emitovao. Drugim rečima, delovao je kao antena.
„Za sada ova antena nije baš dobra jer se unutar poluprovodnika stvaraju takozvani tamni eksitoni, što znači da se ne emituje mnogo svetlosti“, priznaje Novotni. „Poboljšanje ovoga biće naš domaći zadatak u bliskoj budućnosti. Ako istraživači budu uspešni u tome da emisiju svetlosti poluprovodnika učine efikasnijom, trebalo bi da bude moguće stvoriti izvore svetlosti koji mere samo nekoliko nanometara i stoga su hiljadu puta manji od talasne dužine svetlosti koju proizvode.
Kako nema elektrona koji prolaze kroz poluprovodničku antenu, nema ni neželjenih efekata koji se obično javljaju na granicama i koji mogu smanjiti efikasnost. U svakom slučaju, otvorili smo vrata novim aplikacijama“, kaže Novotni. Pokušaj neočekivanog se očigledno isplatio.
