Une équipe de chercheurs de l'Université d'Osaka, Université de la préfecture d'Osaka, Université de la ville d'Osaka, et l'Université de la préfecture de Shiga ont découvert une décroissance radiative excitonique plus rapide que le déphasage thermique à température ambiante dans des films minces d'oxyde de zinc (ZnO). Ces résultats, publié récemment dans Lettres d'examen physique , réduira considérablement la perte d'énergie thermique dans les opérations optiques.

Un exciton est un état lié d'un électron et d'un trou d'électron qui sont attirés l'un par l'autre. ZnO, qui a une large bande interdite et une stabilité excitonique élevée, est étudié comme un matériau prometteur pour divers dispositifs photoniques tels que les diodes électroluminescentes bleues/ultraviolettes, lasers ultraviolets, et les piles solaires à absorption ultraviolette.

Les atomes et les molécules peuvent absorber l'énergie lumineuse et passer à un niveau d'énergie plus élevé (état excité), mais dans le processus inverse, connu sous le nom d'émission de lumière, ils retournent à l'état fondamental en libérant l'énergie supplémentaire qu'ils ont absorbée. C'est ce qu'on appelle un "processus optique". Pour améliorer l'efficacité des émissions dans les dispositifs solides tels que les diodes électroluminescentes, il est nécessaire de renforcer l'interaction lumière-matière et d'accélérer l'absorption et l'émission de lumière; cependant, la performance marginale du ZnO constitué de doubles bandes d'excitons (figure 1b) n'était pas bien comprise.

L'accélération du processus optique est importante pour réaliser des économies d'énergie, des dispositifs optiques à haut rendement car un processus optique plus rapide que le déphasage thermique réduirait les pertes d'énergie thermique; cependant, il n'y avait pas de principes directeurs clairs pour développer des dispositifs photoniques à grande vitesse et on pensait que la désintégration radiative des états excités dans les solides prenait au moins plusieurs dizaines de picosecondes (ps).

Les atomes et molécules constitutifs des solides jouent le rôle d'antennes dipôles dont les énergies excitées sont émises sous forme de lumière. La taille de l'expansion spatiale de ces antennes détermine la vitesse et l'efficacité du rayonnement lumineux, ou les performances des dispositifs électroluminescents.

Dans cette étude, l'équipe a proposé une nouvelle théorie :un nombre macroscopique d'atomes forment en coopération des antennes géantes largement étendues dans des cristaux de ZnO et les « antennes jumelles » oscillent de manière synchrone en se renforçant les unes avec les autres en raison de la dégénérescence de la bande de valence du ZnO. (Figure 1c)

Dans les expériences, ils ont mesuré les temps de décroissance radiative en utilisant des films minces de ZnO de haute qualité (Figure 1a), démontrant qu'une décroissance extrêmement rapide d'un peu moins de 20 femtosecondes (fs) a eu lieu. (Figure 1d) Cette vitesse est de trois ordres de grandeur plus rapide que jamais observée dans les semi-conducteurs typiques et même plus rapide que la vitesse de déphasage thermique des excitons à température ambiante, qui ouvrira la voie à la réalisation d'une photonique « ultra-rapide et sans thermique ».

L'auteur principal Matsuda dit :"En principe, la chaleur n'est pas produite dans un processus optique plus rapide que le déphasage thermique des excitons, on peut donc dire que nos résultats de recherche serviront de principe directeur pour développer des dispositifs photoniques de nouvelle génération avec des propriétés non thermogéniques, ultra-faible consommation d'énergie de nouvelle génération. Les dispositifs optiques conventionnels génèrent de la chaleur et les dispositifs optiques actifs absorbant la lumière, en particulier, augmenter la consommation d'énergie. Notre nouvelle théorie aidera à réaliser une société durable au-delà des limites d'efficacité énergétique conventionnellement considérées comme allant de soi."