{"id":38607,"date":"2019-10-31T22:24:51","date_gmt":"2019-10-31T19:24:51","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/budushhee-li-fi-polyaritony-eksitony-fotony-i-nemnogo-disulfida-volframa\/"},"modified":"2019-10-31T22:24:51","modified_gmt":"2019-10-31T19:24:51","slug":"budushhee-li-fi-polyaritony-eksitony-fotony-i-nemnogo-disulfida-volframa","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/es\/blog\/administrirovanie\/budushhee-li-fi-polyaritony-eksitony-fotony-i-nemnogo-disulfida-volframa","title":{"rendered":"El futuro del Li-Fi: polaritones, excitones, fotones y un poco de disulfuro de tungsteno.","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

\"El
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\nDurante muchos a\u00f1os, cient\u00edficos de todo el mundo se han dedicado a dos cosas: inventar y perfeccionar. Y a veces no est\u00e1 claro cu\u00e1l de estas es m\u00e1s dif\u00edcil. Tomemos, por ejemplo, los simples diodos emisores de luz, que nos parecen tan comunes y ordinarios que ni siquiera les prestamos atenci\u00f3n. Pero si agregamos un poco de excitones, una pizca de polaritones y un toque de disulfuro de tungsteno al gusto, los diodos emisores de luz ya no ser\u00e1n tan prosaicos. Todos estos t\u00e9rminos complejos son nombres de componentes inusuales cuya combinaci\u00f3n ha permitido a los cient\u00edficos del City College de Nueva York crear un nuevo sistema capaz de transmitir informaci\u00f3n extremadamente r\u00e1pido a trav\u00e9s de la luz. Este desarrollo ayudar\u00e1 a mejorar la tecnolog\u00eda Li-Fi. \u00bfQu\u00e9 ingredientes espec\u00edficos se han utilizado en la nueva tecnolog\u00eda, cu\u00e1l es la receta de este \u201cplato\u201d y cu\u00e1l es la eficiencia del nuevo diodo emisor de excit\u00f3n-polarit\u00f3n? De esto nos hablar\u00e1 el informe de los cient\u00edficos. Vamos.<\/a><\/noindex><\/p>\n

Base de la investigaci\u00f3n<\/h3>\n

\nSi simplificamos todo a una sola palabra, esta tecnolog\u00eda es luz y todo lo relacionado con ella. En primer lugar, los polaritones, que surgen de la interacci\u00f3n de fotones con excitaciones en el medio (fonones, excitones, plasmones, magnones, etc.). En segundo lugar, los excitones: una excitaci\u00f3n electr\u00f3nica en un diel\u00e9ctrico, semiconductor o metal, que migra a trav\u00e9s del cristal y no est\u00e1 relacionada con el transporte de carga el\u00e9ctrica y masa. <\/p>\n

Es importante destacar que estas cuasipart\u00edculas prefieren el fr\u00edo, es decir, solo se puede observar su actividad a temperaturas extremadamente bajas, lo que limita su aplicaci\u00f3n pr\u00e1ctica. Pero eso fue antes. En este trabajo, los cient\u00edficos lograron superar la limitaci\u00f3n de temperatura y utilizarlos a temperaturas ambiente. <\/p>\n

La principal caracter\u00edstica de los polaritones es su capacidad para vincular fotones entre s\u00ed. Los fotones que chocan contra \u00e1tomos de rubidio adquieren masa. A trav\u00e9s de m\u00faltiples colisiones, los fotones rebotan entre s\u00ed, pero en raras ocasiones forman pares y tripletas, perdiendo al mismo tiempo la componente at\u00f3mica representada por el \u00e1tomo de rubidio.<\/p>\n

Pero, para hacer algo con la luz, se necesita atraparla. Para ello se requiere un resonador \u00f3ptico, que consiste en una serie de elementos reflectantes que forman una onda de luz estacionaria. <\/p>\n

En este estudio, juegan un papel fundamental unas part\u00edculas cuasi inusuales: los excit\u00f3n-polaritones, que se forman gracias a la fuerte interacci\u00f3n entre excitones y fotones atrapados en un resonador \u00f3ptico. <\/p>\n

Sin embargo, esto no es suficiente, pues se necesita una base material, por as\u00ed decirlo. Y nadie mejor que los disulfuros de metales de transici\u00f3n (DMT) desempe\u00f1ar\u00e1 este papel. M\u00e1s concretamente, se utiliz\u00f3 una capa monoestructural de WS2 (disulfuro de tungsteno) como material emisor, que presenta considerables energ\u00edas de enlace de excitones, lo que se convirti\u00f3 en uno de los principales criterios para la selecci\u00f3n de la base material.<\/p>\n

La combinaci\u00f3n de todos los elementos descritos anteriormente permiti\u00f3 crear un diodo emisor de polaritones controlado el\u00e9ctricamente, que opera a temperatura ambiente.<\/p>\n

Para realizar este dispositivo, la capa monoestructural de WS2 se coloca entre finas barreras de t\u00fanel hexagonales de nitr\u00f3geno de boro (hBN), con capas de grafeno actuando como electrodos.<\/p>\n

Resultados de la investigaci\u00f3n<\/h3>\n

\nEl WS2, siendo un disulfuro de metales de transici\u00f3n, tambi\u00e9n es un material de Van der Waals (vdW) de un solo \u00e1tomo de espesor. Esto habla de sus propiedades el\u00e9ctricas, \u00f3pticas, mec\u00e1nicas y t\u00e9rmicas \u00fanicas. <\/p>\n

En combinaci\u00f3n con otros materiales vdW, como el grafeno (como conductor) y el nitr\u00f3geno de boro hexagonal (hBN, como aislante), se pueden implementar una gran cantidad de dispositivos semiconductores controlados el\u00e9ctricamente, incluidos los diodos. Investigadores han declarado que combinaciones similares de materiales de Van der Waals y polaritones ya se hab\u00edan implementado anteriormente. Sin embargo, en trabajos anteriores, los sistemas resultantes eran complejos e imperfectos, y no revelaban todo el potencial de cada uno de los componentes.<\/p>\n

Una de las ideas, inspiradas por los predecesores, fue la aplicaci\u00f3n de una plataforma material bidimensional. En este caso, se pueden implementar dispositivos con capas de emisi\u00f3n at\u00f3micamente delgadas, que pueden integrarse con otros materiales vdW que funcionan como contactos (grafeno) y barreras de t\u00fanel (hBN). Adem\u00e1s, esta bidimensionalidad permite combinar diodos de polarit\u00f3n con materiales vdW que poseen propiedades magn\u00e9ticas inusuales, una fuerte superconductividad y\/o transportes topol\u00f3gicos no est\u00e1ndar. Como resultado de esta combinaci\u00f3n, se puede obtener un tipo de dispositivo completamente nuevo, cuyas propiedades pueden ser bastante inusuales. Pero, como dicen los cient\u00edficos, este es un tema para otra investigaci\u00f3n.<\/p>\n

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\nImagen No. 1<\/i><\/p>\n

En la imagen 1a<\/b> se muestra un modelo tridimensional del dispositivo, que parece un pastel en capas. Como espejo superior del resonador \u00f3ptico act\u00faa una capa de plata, y como inferior, un reflector distribuido de 12 capas. reflector de Bragg*<\/i>. En la regi\u00f3n activa se sit\u00faa la zona de t\u00fanel.<\/p>\n

Reflector de Bragg distribuido*<\/b> \u2014 una estructura formada por varias capas, en la que el \u00edndice de refracci\u00f3n del material cambia peri\u00f3dicamente perpendicularmente a las capas.<\/p><\/blockquote>\n

La zona de t\u00fanel consiste en una heteroestructura vdW compuesta por una monocapa de WS2 (fuente de luz), capas delgadas de hBN a ambos lados de la monocapa (barrera de t\u00fanel) y grafeno (electrodos transparentes para inyecci\u00f3n de electrones y huecos).<\/p>\n

Se a\u00f1adieron otras dos capas de WS2 para aumentar la fuerza total del generador y, por lo tanto, para un desdoblamiento m\u00e1s pronunciado de los estados de polarit\u00f3n de Rabi.<\/p>\n

El modo de operaci\u00f3n del resonador se ajusta cambiando el grosor de la capa de PMMA (polimetilmetacrilato, es decir, acr\u00edlico).<\/p>\n

Imagen 1b<\/b> esta es una imagen de la heteroestructura vdW sobre la superficie del reflector de Bragg distribuido. Debido a la alta capacidad reflectante del reflector de Bragg distribuido, que act\u00faa como capa inferior, la zona de t\u00fanel en la imagen tiene un contraste de reflexi\u00f3n muy bajo, lo que resulta en la observaci\u00f3n \u00fanicamente de la capa superior gruesa de hBN.<\/p>\n

Gr\u00e1fico 1c<\/b> representa un diagrama de zona vdW de la heteroestructura en la geometr\u00eda de t\u00fanel bajo desplazamiento. La electroluminiscencia (EL) se observa por encima del voltaje umbral, cuando el nivel de Fermi del grafeno superior (inferior) se desplaza por encima (debajo) de la banda de conducci\u00f3n (valencia) de WS2, permitiendo que un electr\u00f3n (hueco) tunnel en la banda de conducci\u00f3n (valencia) de WS2. Esto crea condiciones favorables para la formaci\u00f3n de excitones en la capa de WS2 con la posterior recombinaci\u00f3n radiativa (emisi\u00f3n) electron-hueco.<\/p>\n

A diferencia de los emisores de luz basados en uniones p-n, que requieren dopaje para funcionar, la EL de dispositivos de t\u00fanel depende exclusivamente de la corriente de t\u00fanel, lo que permite evitar p\u00e9rdidas \u00f3pticas y cambios en la resistividad espec\u00edficos causados por cambios de temperatura. Al mismo tiempo, la arquitectura de t\u00fanel permite un \u00e1rea de emisi\u00f3n mucho mayor en comparaci\u00f3n con dispositivos basados en uniones p-n de dicromuros.<\/p>\n

Imagen 1d<\/b> demuestra caracter\u00edsticas el\u00e9ctricas de densidad de corriente de t\u00fanel (J<\/i>) como funciones del voltaje de desplazamiento (V<\/i>) entre los electrodos de grafeno. Un aumento abrupto en la corriente tanto para voltajes positivos como negativos indica la aparici\u00f3n de corriente de t\u00fanel a trav\u00e9s de la estructura. Con un grosor \u00f3ptimo de capas de hBN (~2 nm) se observa una corriente de t\u00fanel significativa y un aumento en el tiempo de vida de los portadores inyectados para la recombinaci\u00f3n radiativa.<\/p>\n

Antes de realizar el experimento de electroluminiscencia, se caracteriz\u00f3 el dispositivo en cuanto a la reflectancia de luz blanca con resoluci\u00f3n angular para confirmar la fuerte vinculaci\u00f3n de los excitones.<\/p>\n

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\nImagen N\u00ba 2<\/i><\/p>\n

En la imagen 2a<\/b> se muestran los espectros de reflectancia con resoluci\u00f3n angular desde la regi\u00f3n activa del dispositivo, demostrando comportamientos que restringen la intersecci\u00f3n. Tambi\u00e9n se observ\u00f3 fotoluminiscencia (PL) bajo excitaci\u00f3n no resonante (460 nm), mostrando intensa emisi\u00f3n de la rama inferior del polarit\u00f3n y emisi\u00f3n m\u00e1s d\u00e9bil de la rama superior del polarit\u00f3n (2b<\/b>).<\/p>\n

En 2c<\/b> se muestra la dispersi\u00f3n de electroluminiscencia del polarit\u00f3n al inyectar 0.1 \u03bcA\/mkcm\u00b2. La separaci\u00f3n de Rabi y el desajuste del resonador, obtenidos mediante la adaptaci\u00f3n de los modos del oscilador (l\u00ednea blanca continua y punteada) al experimento de electroluminiscencia, son de aproximadamente 33 meV y -13 meV respectivamente. El desajuste del resonador se define como \u03b4 = Ec \u2212 Ex, donde Ex es la energ\u00eda del excit\u00f3n y Ec representa la energ\u00eda del fot\u00f3n del resonador con momento cero en el plano. Gr\u00e1fico 2d<\/b> es un corte a diferentes \u00e1ngulos de la dispersi\u00f3n electroluminiscente. Aqu\u00ed se observa claramente la dispersi\u00f3n de los modos de polarit\u00f3n superior e inferior con una antiencrucijada que ocurre en la zona de resonancia del excit\u00f3n.<\/p>\n

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\nImagen N\u00ba 3<\/i><\/p>\n

A medida que aumenta la corriente de t\u00fanel, la intensidad total de la electroluminiscencia aumenta. La d\u00e9bil electroluminiscencia de los polaritones se observa cerca del desplazamiento umbral (3a<\/b>), mientras que con un desplazamiento suficientemente grande por encima del umbral, la emisi\u00f3n de polaritones se vuelve clara (3b<\/b>).<\/p>\n

En la imagen 3c<\/b> se muestra un gr\u00e1fico polar de la intensidad de electroluminiscencia como funci\u00f3n del \u00e1ngulo, representando un estrecho cono de emisi\u00f3n \u00b1 15\u00b0. El diagrama de radiaci\u00f3n permanece pr\u00e1cticamente inalterado tanto para la corriente m\u00ednima (curva verde) como para la m\u00e1xima (curva naranja) de excitaci\u00f3n. En 3d<\/b> se muestra la intensidad integrada a diferentes corrientes de t\u00fanel en movimiento, que, como se puede ver en el gr\u00e1fico, es bastante lineal. Por lo tanto, el aumento de la corriente a valores altos puede llevar a una exitosa dispersi\u00f3n de polaritones a lo largo de la rama inferior y crear un diagrama de radiaci\u00f3n extremadamente estrecho debido a la generaci\u00f3n de polaritones. Sin embargo, en este experimento no fue posible lograrlo debido a la limitaci\u00f3n relacionada con la ruptura diel\u00e9ctrica de la barrera de t\u00fanel hBN. <\/p>\n

Los puntos rojos en 3d<\/b> muestran las mediciones de otro indicador: la eficiencia cu\u00e1ntica externa*<\/i>.<\/p>\n

La eficiencia cu\u00e1ntica*<\/b> es la relaci\u00f3n entre el n\u00famero de fotones cuya absorci\u00f3n caus\u00f3 la creaci\u00f3n de quasipart\u00edculas y el n\u00famero total de fotones absorbidos.<\/p><\/blockquote>\n

La eficiencia cu\u00e1ntica observada es comparable a la de otros diodos luminosos de polaritones (basados en materiales org\u00e1nicos, nanotubos de carbono, etc.). Cabe se\u00f1alar que en el dispositivo estudiado el grosor de la capa emisora es de apenas 0,7 nm, mientras que en otros dispositivos este valor es mucho mayor. Los cient\u00edficos no ocultan que el \u00edndice de eficiencia cu\u00e1ntica de su dispositivo no es el m\u00e1s alto, pero se puede aumentar al incluir un mayor n\u00famero de monol\u00e1minas dentro de la zona de t\u00fanel, separadas por capas delgadas de hBN. <\/p>\n

Los investigadores tambi\u00e9n verificaron el impacto de la perturbaci\u00f3n del resonador en la EL de polaritones, fabricando otro dispositivo, pero con una perturbaci\u00f3n m\u00e1s fuerte (- 43 meV).<\/p>\n

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\nImagen n\u00famero 4<\/i><\/p>\n

En la imagen 4a<\/b> se muestran los espectros de la EL con una resoluci\u00f3n angular de este dispositivo a una densidad de corriente de 0,2 \u03bcA\/micr\u00f3n\u00b2. Debido a la fuerte perturbaci\u00f3n, el dispositivo muestra un pronunciado efecto de cuello de botella en la EL, con un m\u00e1ximo de emisi\u00f3n ocurriendo en un gran \u00e1ngulo. Esto se confirma adicionalmente en la imagen 4b<\/b>, donde se comparan los gr\u00e1ficos polares de este dispositivo con el primero (2c<\/b>).<\/p>\n

Para un conocimiento m\u00e1s detallado de las sutilezas de la investigaci\u00f3n, recomiendo echar un vistazo a el informe de los cient\u00edficos<\/a><\/noindex>.<\/p>\n

Ep\u00edlogo<\/h3>\n

\nPor lo tanto, todas las observaciones y mediciones descritas anteriormente confirman la existencia de electroluminiscencia de polaritones en la heteroestructura de vdW integrada en un micror resonador \u00f3ptico. La arquitectura de t\u00fanel del dispositivo investigado permite la inyecci\u00f3n de electrones\/huecos y la recombinaci\u00f3n en un monolito de WS2, que sirve como emisor de luz. Es importante que el mecanismo de t\u00fanel del dispositivo no requiera la dopaje de componentes, lo que minimiza las p\u00e9rdidas y los diversos cambios relacionados con la temperatura.<\/p>\n

Se ha establecido que la EL tiene una alta direccionalidad gracias a la dispersi\u00f3n del resonador. Por lo tanto, mejorar la calidad del resonador y un mayor suministro de corriente permitir\u00e1n aumentar la eficiencia de los diodos emisores de luz de micror resonadores, as\u00ed como de los polaritones de micror resonadores controlados el\u00e9ctricamente y de los l\u00e1seres fot\u00f3nicos.<\/p>\n

Este trabajo ha confirmado una vez m\u00e1s que los dicalc\u00f3genos de metales de transici\u00f3n tienen propiedades realmente \u00fanicas y un amplio espectro de aplicaciones.<\/p>\n

Investigaciones similares e innovaciones pueden tener un gran impacto en el desarrollo y la difusi\u00f3n de tecnolog\u00edas de transmisi\u00f3n de datos a trav\u00e9s de LED y luz en general. Una de estas tecnolog\u00edas futuristas es Li-Fi, que puede ofrecer velocidades significativamente mayores que las de Wi-Fi disponibles actualmente.<\/p>\n

\u00a1Gracias por su atenci\u00f3n, sigan siendo curiosos y que tengan una buena semana laboral, chicos! \ud83d\ude42<\/p>\n

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\n
Fuente: habr.com<\/a><\/p>","protected":false,"gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"html"}]},"excerpt":{"rendered":"

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