Les architectes de la Renaissance ont démontré leur compréhension de la géométrie et de la physique lorsqu'ils ont construit des galeries chuchotantes dans leurs cathédrales. Ces chambres circulaires ont été conçues pour amplifier et diriger les ondes sonores afin que, en se tenant au bon endroit, un murmure pouvait être entendu de l'autre côté de la pièce. Maintenant, des scientifiques de l'Université de Pennsylvanie ont appliqué le même principe à l'échelle nanométrique pour réduire considérablement la durée de vie des émissions, une propriété clé des semi-conducteurs, ce qui peut conduire au développement de nouveaux dispositifs photoniques ultrarapides.

La recherche a été menée par le professeur agrégé Ritesh Agarwal, les boursiers postdoctoraux Chang-Hee Cho et Sung-Wook Nam et l'étudiant diplômé Carlos O. Aspetti, tous du département de science et d'ingénierie des matériaux de la faculté d'ingénierie et de sciences appliquées de Penn. Michael E. Turk et James M. Kikkawa du Département de physique et d'astronomie de l'École des arts et des sciences ont également contribué à l'étude.

Leurs recherches ont été publiées dans la revue Matériaux naturels .

"Quand vous excitez un semi-conducteur, puis il faut quelques nanosecondes pour revenir à l'état fondamental accompagné d'émission de lumière, " Agarwal a déclaré. "C'est la durée de vie des émissions. C'est à peu près le temps que la lumière est allumée, et c'est donc le temps qu'il faut pour qu'il soit prêt à être rallumé.

"Si vous fabriquez un modulateur, quelque chose qui va et vient, vous êtes limité par cette constante de temps. Ce que nous avons fait, c'est la réduire à moins d'une picoseconde. C'est plus de mille fois plus rapide que tout ce qui est actuellement disponible."

Dans les semi-conducteurs, l'état excité correspond à la présence d'énergie dans le système, et l'état fondamental est quand il n'y en a pas. Normalement, le semi-conducteur doit d'abord "refroidir" à l'état excité, libérant de l'énergie sous forme de chaleur, avant de "sauter" de nouveau à l'état fondamental, libérant l'énergie restante sous forme de lumière. Les nanofils semi-conducteurs de l'équipe Penn, cependant, peut sauter directement d'un état excité à haute énergie au sol, tout sauf en éliminant la période de refroidissement.

L'avancement de la durée de vie des émissions est dû à la construction unique des nanofils de l'équipe. À leur cœur, ce sont du sulfure de cadmium, un matériau de nanofil commun. Mais ils sont également enveloppés dans une couche tampon de dioxyde de silicium, et, critique, une couche externe d'argent. Le revêtement d'argent supporte ce que l'on appelle les plasmons de surface, ondes uniques qui sont une combinaison d'électrons métalliques oscillants et de lumière. Ces plasmons de surface sont fortement confinés à la surface où les couches de dioxyde de silicium et d'argent se rencontrent.

"L'état de l'art précédent prenait un nanofil, tout comme le nôtre, et le poser sur une surface métallique, " dit Agarwal. " Nous avons courbé la surface métallique autour du fil, faire une cavité plasmonique nanométrique complète et l'effet de galerie de chuchotement."

Pour certaines tailles de nanofils, le revêtement d'argent crée des poches de résonance et donc des champs électromagnétiques hautement confinés au sein de la nanostructure. La durée de vie des émissions peut ensuite être conçue en contrôlant avec précision les champs électromagnétiques de haute intensité à l'intérieur du milieu électroluminescent, qui est le noyau de sulfure de cadmium.

Pour atteindre une durée de vie d'émission mesurée en femtosecondes, 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. Cependant, 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.