Gli architetti del Rinascimento hanno dimostrato la loro comprensione della geometria e della fisica quando hanno costruito gallerie sussurrate nelle loro cattedrali. Queste camere circolari sono state progettate per amplificare e dirigere le onde sonore in modo che, quando sei nel posto giusto, si sentiva un sussurro dall'altra parte della stanza. Ora, gli scienziati dell'Università della Pennsylvania hanno applicato lo stesso principio su scala nanometrica per ridurre drasticamente la durata delle emissioni, una proprietà chiave dei semiconduttori, che può portare allo sviluppo di nuovi dispositivi fotonici ultraveloci.

La ricerca è stata condotta dal professore associato Ritesh Agarwal, i borsisti post-dottorato Chang-Hee Cho e Sung-Wook Nam e il dottorando Carlos O. Aspetti, tutto il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Penn's School of Engineering and Applied Science. Allo studio hanno contribuito anche Michael E. Turk e James M. Kikkawa del Dipartimento di Fisica e Astronomia della School of Arts and Sciences.

La loro ricerca è stata pubblicata sulla rivista Materiali della natura .

"Quando si eccita un semiconduttore, poi ci vogliono alcuni nanosecondi per tornare allo stato fondamentale accompagnato da emissione di luce, " Ha detto Agarwal. "Questa è la durata delle emissioni. È all'incirca la quantità di tempo in cui la luce è accesa, e quindi è il tempo necessario per essere pronto per essere riacceso.

"Se stai creando un modulatore, qualcosa che cambia avanti e indietro, sei limitato da questa costante di tempo. Quello che abbiamo fatto è ridurlo a meno di un picosecondo. È più di mille volte più veloce di qualsiasi cosa attualmente disponibile".

Nei semiconduttori, lo stato eccitato è quando l'energia è presente nel sistema, e lo stato fondamentale è quando non ce n'è. Normalmente, il semiconduttore deve prima "raffreddarsi" nello stato eccitato, rilasciando energia sotto forma di calore, prima di "saltare" di nuovo allo stato fondamentale, liberando l'energia rimanente sotto forma di luce. I nanofili semiconduttori del team Penn, però, può saltare direttamente da uno stato eccitato ad alta energia a terra, tutto tranne che eliminando il periodo di raffreddamento.

L'avanzamento nella durata delle emissioni è dovuto alla costruzione unica dei nanofili del team. Al loro centro, sono solfuro di cadmio, un materiale nanowire comune. Ma sono anche avvolti in uno strato tampone di biossido di silicio, e, criticamente, uno strato esterno di argento. Il rivestimento d'argento supporta i cosiddetti plasmoni di superficie, onde uniche che sono una combinazione di elettroni metallici oscillanti e di luce. Questi plasmoni di superficie sono altamente confinati alla superficie che incontrano gli strati di biossido di silicio e argento.

"Lo stato dell'arte precedente era prendere un nanofilo, proprio come il nostro, e appoggiandolo su una superficie metallica, " ha detto Agarwal. "Abbiamo curvato la superficie metallica attorno al filo, creando una cavità plasmonica su scala nanometrica completa e l'effetto galleria sussurrante."

Per determinate dimensioni di nanofili, il rivestimento d'argento crea sacche di risonanza e quindi campi elettromagnetici altamente confinati all'interno della nanostruttura. La durata dell'emissione può quindi essere progettata controllando con precisione i campi elettromagnetici ad alta intensità all'interno del mezzo che emette luce, che è il nucleo di solfuro di cadmio.

Per raggiungere una durata di emissione misurata in femtosecondi, the researchers needed to optimally balance this high-confinement electromagnetic field with an appropriate "quality factor, " the measurement of how good a cavity is at storing energy. To complicate matters, quality factor and confinement have an inverse relationship; the higher the quality-factor a cavity has the bigger it is and the smaller its confinement. Però, by opting for a reasonable quality factor, the researchers could vastly increase the confinement of the electric field inside the nanowire by using resonant surface plasmons and get the record-breaking emission lifetime.

This many-orders-of-magnitude improvement could find a home in a variety of applications such as LEDs, detectors and other nanophotonic devices with novel properties.

"Plasmonic computers could make good use of these nanowires, " Cho said. "We could increase modulation speed into the terahertz range whereas electronic computers are limited to a few gigahertz range."

"The same physics governs emission and absorption, so these nanowires could also be used for increasing efficiency of absorption in solar cells, " Agarwal said.