Un equipo de investigadores de la Universidad de Osaka, la Universidad de la Prefectura de Osaka, la Universidad de la Ciudad de Osaka y la Universidad de la Prefectura de Shiga han encontrado que la descomposición radiactiva excitónica es más rápida que la depuración térmica a temperatura ambiente en películas delgadas de óxido de zinc ZnO. Estos resultados, publicados recientementeen Cartas de revisión física , reducirá en gran medida la pérdida de energía térmica en operaciones ópticas.
Un excitón es un estado unido de un electrón y un agujero de electrones que se atraen entre sí. ZnO, que tiene un amplio intervalo de banda y alta estabilidad excitónica, se estudia como un material prometedor para varios dispositivos fotónicos como el azul / ultravioleta- diodos emisores, 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, vuelven al estado fundamental al liberar la energía extra que absorbieron. Esto se llamaun "proceso óptico". Para mejorar la eficiencia de emisión en dispositivos sólidos como los diodos emisores de luz, es necesario fortalecer la interacción de la materia luminosa y acelerar la absorción y emisión de luz; sin embargo, el rendimiento marginal de ZnO consiste en bandas de doble excitónno fue bien entendido
Acelerar el proceso óptico es importante para realizar dispositivos ópticos de alta eficiencia y ahorro de energía porque un proceso óptico más rápido que la eliminación térmica reduciría la pérdida de energía térmica; sin embargo, no había principios rectores claros para desarrollar dispositivos fotónicos de alta velocidad yse pensó que la desintegración radiativa de los estados excitados en los sólidos tomó al menos varias decenas de picosegundos ps.
Los átomos y moléculas constituyentes en los sólidos juegan el papel de antenas dipolo cuyas energías excitadas se emiten como luz. El tamaño de la expansión espacial de estas antenas determina la velocidad y la eficiencia de la radiación luminosa, o el rendimiento de los 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 de ZnO.
En experimentos, midieron los tiempos de desintegración radiativa utilizando películas delgadas de ZnO de alta calidad, lo que demuestra que se produjo una desintegración extremadamente rápida de poco menos de 20 femtosegundos fs. Esta velocidad es tres órdenes de magnitud más rápida que la observada en semiconductores típicos e inclusomás rápido que la velocidad de eliminación térmica de excitones a temperatura ambiente, lo que abrirá la vía para realizar fotónica "ultrarrápida y libre de calor".
El autor principal, Matsuda, dice: "En principio, el calor no se produce en un proceso óptico más rápido que la eliminación térmica de los excitones, por lo que se puede decir que los resultados de nuestra investigación servirán como un principio rector para desarrollar dispositivos fotónicos de próxima generación con-termogénico, consumo ultra bajo de energía de próxima generación. Los dispositivos ópticos convencionales generan calor y los dispositivos ópticos activos que absorben la luz, en particular, aumentan el consumo de energía. Nuestra nueva teoría ayudará a lograr una sociedad sostenible más allá de los límites de eficiencia energética convencionalmente dados por sentados ".
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Materiales proporcionado por Universidad de Osaka . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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