Экситон – это связанное состояние электрона и электронной дырки, которые притягиваются друг к другу. ZnO, который имеет широкую запрещенную зону и высокую экситонную стабильность, изучается как перспективный материал для различных фотонных устройств, таких как синие / ультрафиолетовые излучающие диоды, ультрафиолетовые лазеры и солнечные батареи, поглощающие ультрафиолет.
Атомы и молекулы могут поглощать световую энергию и переходить на более высокий энергетический уровень (возбужденное состояние), но в обратном процессе, известном как излучение света, они возвращаются в основное состояние, высвобождая дополнительную энергию, которую они поглотили. Это называется «оптическим процессом».«Чтобы повысить эффективность излучения в твердотельных устройствах, таких как светодиоды, необходимо усилить взаимодействие света с веществом и ускорить поглощение и излучение света; однако предельные характеристики ZnO, состоящего из полос двойных экситонов, не были хорошо изучены.
Ускорение оптического процесса важно для реализации энергосберегающих и высокоэффективных оптических устройств, поскольку оптический процесс, более быстрый, чем тепловая дефазировка, снизит потери тепловой энергии; однако не было четких руководящих принципов для разработки высокоскоростных фотонных устройств, и считалось, что радиационный распад возбужденных состояний в твердых телах занимает по крайней мере несколько десятков пикосекунд (пс).
Составляющие атомы и молекулы в твердых телах играют роль дипольных антенн, возбужденные энергии которых излучаются в виде света.
Размер пространственного расширения этих антенн определяет скорость и эффективность светового излучения или производительность светоизлучающих устройств.
В этом исследовании команда предложила новую теорию: макроскопическое число атомов кооперативно формирует широко протяженные гигантские антенны в кристаллах ZnO, а «двойные антенны» синхронно колеблются, усиливая друг друга из-за вырождения валентной зоны ZnO.
В экспериментах они измерили время радиационного затухания с использованием высококачественных тонких пленок ZnO, продемонстрировав, что имеет место чрезвычайно быстрое затухание, составляющее чуть менее 20 фемтосекунд (фс).
Эта скорость на три порядка выше, чем когда-либо наблюдалось в типичных полупроводниках, и даже выше, чем скорость термической дефазировки экситонов при комнатной температуре, что откроет путь к реализации «сверхбыстрой и безотепловой» фотоники.
Ведущий автор Мацуда говорит: «В принципе, в оптическом процессе тепло не выделяется быстрее, чем тепловая дефазировка экситонов, поэтому можно сказать, что результаты наших исследований будут служить руководящим принципом для разработки фотонных устройств следующего поколения с нетермогенными свойствами. , сверхнизкое энергопотребление нового поколения.
Обычные оптические устройства выделяют тепло, а активные оптические устройства, поглощающие свет, в частности, увеличивают потребление энергии. Наша новая теория поможет реализовать устойчивое общество за пределами энергоэффективности, которые традиционно считаются само собой разумеющимися."