Tyrimas atliktas Pensilvanijos universiteto profesoriaus Ritešo Agarvalo (Ritesh Agarwal) kartu su kolegomis. Jie savo tyrime vietoje standartinio metodo, kuriame yra nagrinėjami elektroniškai surišti eksitonai dvimatėse ar trimatėse didelio atspindžio koeficiento optinėse aplinkose, nagrinėjo vienmatės aplinkos poliaritonus.
Eksitoninės ir poliaritoninės kvazidalelės yra vienos iš įdomiausių savo savybėmis tarp daugelio kitų dalelių, kurių egzistavimas yra numatytas egzotinių ir dažnai intuicijai prieštaraujančių dalelių ir kvantinės fizikos dėsnių. Eksitonai susidaro, kai fotonas sugeriamas puslaidininkinės medžiagos ir susiformuoja Kulono jėgos surištos būsenos tarp neigiamai įelektrinto elektrono ir teigiamai įelektrintos skylės. Ši dalelių pora gali būti matoma kaip kondensuotos medžiagos elementarusis sužadinimas, kuris perneša energiją, bet neperneša krūvio. Tokios dalelės optoelektroninės savybės priklauso nuo medžiagos formos ir dydžio. Poliaritonai susidaro dėl stipraus ryšio tarp fotono ir esamo sužadinimo medžiagoje. Tarp įvairių poliaritonų rūšių eksitoniniai poliaritonai atsiranda susijungus fotoninėms ir elektroninėms kvazidalelėms, kai matoma šviesa susijungia su medžiaga eksitono pavidalu. Kadangi buvo sudėtinga pasiekti didesnį ryšio stiprumą tarp šviesos ir medžiagos, tai tokių dalelių pritaikomumas, pavyzdžiui, aukštesnėms temperatūroms buvo labai ribotas. Tačiau neseniai mokslininkams pavyko gauti stipresnį šviesos ir medžiagos ryšį nanomedžiagose. Gautas ryšio stiprumas yra didesnis lyginant su numatytu galimu stiprumu medžiagos tūryje.
Tyrimas atliktas Pensilvanijos universiteto profesoriaus Ritešo Agarvalo (Ritesh Agarwal) kartu su kolegomis. Jie savo tyrime vietoje standartinio metodo, kuriame yra nagrinėjami elektroniškai surišti eksitonai dvimatėse ar trimatėse didelio atspindžio koeficiento optinėse aplinkose, nagrinėjo vienmatės aplinkos poliaritonus. Vienmatę aplinką mokslininkai gavo naudodami kadmio sulfido (CdS) nanolaidų bangolaidžius. Todėl stipriai padidėjo šviesos ir medžiagos ryšio stiprumas. Gautas ryšys buvo stipriai didesnis nei pasiekiamas medžiagos tūryje taikant ankstesnius metodus. Mokslininkų sėkmė žada žymius patobulinimus įvairiose srityse, tame tarpe žemo slenksčio generacijoje, kieto kūno Bozė-Einšteino kondensatuose, o taip pat jutikliuose, jungikliuose bei kituose lėtos šviesos taikymuose.
 Paveikslėlyje parodyta CdS nanolaido bangolaidžio aplinka bei žemoje temperatūroje išmatuota eksperimento geometrija: a) CdS nanolaidas gautas ant SiO2 padėklo. Viršutinėje išnašoje parodytas elektronų sklaidos difrakcijos vaizdas. Apatinėje išnašoje parodyta nanolaido gardelės orientacija; b) schematinis eksperimento paveiksliukas. Nanolaidas guli ant padėklo septyniasdešimt septynių kelvinų temperatūroje. Nanolaidas sužadinamas viename gale, o kitame gale stebima bangolaidžio nukreipta poliaritoninė emisija; c) mikroskopinė nuotrauka, rodanti CdS nanolaido sužadinimą bei poliaritoninę emisiją. |
|---|
Mokslininkai nagrinėjo puslaidininkinius kristalus, kurių dydis kito nuo kvantiniams taškams būdingų matmenų (apie dvidešimt nanometrų) iki tūrinio kristalo (daugiau kaip penkių šimtų nanometrų). Bandant stebėti ir kiekybiškai įvertinti, ar puslaidininkiniai kristalai pasižymi sustiprintu šviesos ir medžiagos ryšiu ir kaip ryšio stiprumas priklauso nuo nagrinėjamo kristalo dydžio, buvo susidurta su keliomis problemomis. „Informacija apie šviesos ir medžiagos ryšio stiprumą gaunama matuojant nagrinėjamos struktūros nuo kampo priklausančią šviesos dispersiją, – paaiškino Agarvalas. – Tačiau dėl nagrinėjamų medžiagų dydžio ši informacija yra paslėpta difrakcijos ir sklaidos procesų. Todėl šviesos dispersijos tyrimai netinka šiuo atveju. Taip pat stipriam šviesos ir medžiagos ryšiui gauti svarbu suporuoti eksitonus kristale į elektronų ir skylių poras. Toks procesas yra labai sudėtingas dirbant su mažais kristalais, nes jie pasižymi dideliu paviršiaus ir tūrio santykiu. Didesnis paviršiaus ir tūrio santykis leidžia susidaryti daugiau vienas su kitu konkuruojančių relaksacijos kanalų medžiagos paviršiuje. O tai mažina šviesos ir medžiagos ryšio stiprumą.“
Paprastai, stiprus šviesos ir medžiagos ryšys gaunamas dirbant su mikrokapiliarais, kurie gaunami apdirbant nedidelius puslaidininkinių kristalų gabalus naudojant drėgną ir sausą ėsdinimą. Ėsdinimas sukuria nelygų paviršių, kuriame susidaro eksitonai. Tai reiškia, kad eksitonai gali būti gaunami mažesniuose kristaluose ir pasiekiamas didesnis ryšio stiprumas. Tačiau Agarvalo grupė apėjo šią problemą naudodami savaime susirenkančias puslaidininkines nanolaidų optines aplinkas, kurių matmenys artimi šviesos bangos ilgiui. „Buvo žinoma, kad puslaidininkiniai nanolaidai gali sudaryti išilginės stovinčios optinės bangos aplinkas, – paaiškino Agarvalas. – Mes susintetinome labai gerai optinę šviesą praleidžiančias puslaidininkines nanovielas, kurių plotis buvo mažesnis nei vienas šimtas trisdešimt nanometrų. Nanovielos buvo naudotos atstatant fotono bangos vektorius. Tokiu būdu mes galėjome priderinti savo teorinį modelį prie turimų duomenų, siekiant nustatyti tikrą šviesos ir medžiagos ryšio stiprumą.“
Agarvalas pastebi, kad, nors jiems pavyko stebėti stiprų šviesos ir medžiagos ryšio sustiprėjimą lyginant su tūrinėmis medžiagomis, tačiau praktinį gaunamos naudos, susijusios su sumažėjusiomis energijos sąnaudomis, pritaikomumą būtų sunku pasiekti naudojant dabartinę eksperimentinę įrangą. „Norint gauti išmatuojamą naudą, – pasakė Agarvalas, – ryšio nuostoliai turėtų būti sumažinti surenkant nanolaidus iš vietinių dalių, geriausiu atveju tai turėtų būti luste esantis nanolaidų optinis tinklas.“
Agarvalas numato, kad jų naujasis metodas, gali duoti didelės naudos. Jo nuomone, artimiausiu metu stipraus šviesos ir medžiagos ryšio panaudojimas gali padėti mažinant įprasto signalo sunaudojamą energiją hibridiniuose optiniuose ir elektroniniuose lustuose. Dar daugiau – tikslus ryšio stiprumo valdymas gali, iš principo, būti pritaikytas vykdant logines operacijas naudojant pačius nanolaidus kaip aktyvias pilnai optinės grandinės dalis. Sustiprintas šviesos ir medžiagos ryšio stiprumas gali būti panaudotas kuriant, taip vadinamus, beslenksčius poliaritoninius lazerius, optinius jungiklius, moduliatorius ar kitas integruotas fotoninės grandinės dalis, pasižyminčias mažesniu dydžiu ir geresniu vykdymu.
Ypatingai įdomus yra Agarvalo sumanymas panaudoti jų metodą kuriant jutiklius, pagamintus iš labai mažų (apie tūkstantį kartų mažesnių už žmogaus plauką) nanolaidų. Nanolaiduose būtų stipriai sumažintas šviesos greitis, o tai reiškia stiprų šviesos ir medžiagos ryšį. „Tokie laidai veiktų kaip stipriai sumažinti aktyvūs bangolaidžiai, kurie būtų naudojami didelės skiriamosios gebos jutikliuose, – mano jis. – Sumažintas šviesos greitis padidintų registravimo jautrumą, nes šviesa galėtų ilgiau sąveikauti su tiriama medžiaga.“
