Un team di ricercatori dell'Università di Osaka, Università della prefettura di Osaka, Università della città di Osaka, e l'Università della Prefettura di Shiga hanno scoperto un decadimento radiativo eccitonico più veloce della sfasatura termica a temperatura ambiente in film sottili di ossido di zinco (ZnO). Questi risultati, pubblicato di recente in Lettere di revisione fisica , ridurrà notevolmente la perdita di energia termica nelle operazioni ottiche.

Un eccitone è uno stato legato di un elettrone e di una lacuna elettronica che sono attratti l'uno dall'altro. ZnO, che ha un ampio gap di banda e un'elevata stabilità eccitonica, è studiato come un materiale promettente per vari dispositivi fotonici come diodi blu/ultravioletti, laser ultravioletti, e batterie solari ad assorbimento ultravioletto.

Atomi e molecole possono assorbire l'energia luminosa e saltare a un livello energetico più alto (stato di eccitazione), ma al contrario, nota come emissione di luce, ritornano allo stato fondamentale rilasciando l'energia extra che hanno assorbito. Questo è chiamato un "processo ottico". Per migliorare l'efficienza di emissione in dispositivi solidi come diodi emettitori di luce, è necessario rafforzare l'interazione luce-materia e accelerare l'assorbimento e l'emissione della luce; però, la prestazione marginale di ZnO costituita da bande di doppi eccitoni (Figura 1b) non era ben compresa.

L'accelerazione del processo ottico è importante per realizzare il risparmio energetico, dispositivi ottici ad alta efficienza perché un processo ottico più veloce della sfasatura termica ridurrebbe la perdita di energia termica; però, non c'erano principi guida chiari per sviluppare dispositivi fotonici ad alta velocità e si pensava che il decadimento radiativo degli stati eccitati nei solidi richiedesse almeno diverse decine di picosecondi (ps).

Gli atomi e le molecole costituenti nei solidi svolgono il ruolo di antenne dipolari le cui energie eccitate vengono emesse sotto forma di luce. La dimensione dell'espansione spaziale di queste antenne determina la velocità e l'efficienza della radiazione luminosa, o le prestazioni dei dispositivi emettitori di luce.

In questo studio, il team ha proposto una nuova teoria:un numero macroscopico di atomi forma cooperativamente antenne giganti ampiamente estese nei cristalli di ZnO e le "antenne gemelle" oscillano in modo sincrono rafforzandosi l'una con l'altra a causa della degenerazione della banda di valenza di ZnO. (Figura 1c)

Negli esperimenti, hanno misurato i tempi di decadimento radiativo utilizzando film sottili di ZnO di alta qualità (Figura 1a), dimostrando che ha avuto luogo un decadimento estremamente rapido di poco meno di 20 femtosecondi (fs). (Figura 1d) Questa velocità è tre ordini di grandezza più veloce di quanto mai osservato nei semiconduttori tipici e persino più veloce della velocità di sfasamento termico degli eccitoni a temperatura ambiente, che aprirà la strada alla realizzazione di fotonica "ultraveloce e termica".

L'autore principale Matsuda afferma:"In linea di principio, il calore non viene prodotto in un processo ottico più velocemente della sfasatura termica degli eccitoni, quindi si può dire che i risultati della nostra ricerca serviranno da principio guida per sviluppare dispositivi fotonici di prossima generazione con consumo energetico ultra basso di nuova generazione. I dispositivi ottici convenzionali generano calore e i dispositivi ottici attivi assorbono la luce, in particolare, aumentare il consumo di energia. La nostra nuova teoria aiuterà a realizzare una società sostenibile oltre i limiti di efficienza energetica convenzionalmente dati per scontati".