{"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\/it\/blog\/administrirovanie\/budushhee-li-fi-polyaritony-eksitony-fotony-i-nemnogo-disulfida-volframa","title":{"rendered":"Il futuro del Li-Fi: polaritoni, eccitoni, fotoni e un po' di disolfuro di tungsteno","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"<p><img decoding=\"async\" alt=\"Il futuro del Li-Fi: polaritoni, eccitoni, fotoni e un po&#039; di disolfuro di tungsteno\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/10\/fd3da14c59ebcddc14ddfb7ba4e970af.jpeg\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<br \/>\nNegli ultimi anni, scienziati di tutto il mondo si sono dedicati a due attivit\u00e0: inventare e perfezionare. E a volte non \u00e8 chiaro quale delle due sia la pi\u00f9 difficile. Prendiamo, ad esempio, i comuni LED, che ci sembrano cos\u00ec semplici e quotidiani da non attirare la nostra attenzione. Ma se aggiungiamo un po' di eccitoni, un pizzico di polaritoni e disolfuro di tungsteno a piacere, i LED non saranno pi\u00f9 cos\u00ec prosaici. Tutti questi termini complessi sono nomi di componenti molto particolari, la cui combinazione ha permesso a scienziati del City College di New York di creare un nuovo sistema in grado di trasmettere informazioni con grande rapidit\u00e0 tramite la luce. Questa nuova tecnologia contribuir\u00e0 a migliorare il Li-Fi. Quali ingredienti sono stati utilizzati nella nuova tecnologia, qual \u00e8 la ricetta di questo \"piatto\" e qual \u00e8 l'efficienza del nuovo LED excipolaritono? A questo risponder\u00e0 la relazione degli scienziati. Cominciamo.<noindex><a rel=\"nofollow\" name=\"habracut\"><\/a><\/noindex><\/p>\n<h3>Fondamenti della ricerca<\/h3>\n<p>\nSe dovessimo semplificare tutto a una sola parola, questa tecnologia sarebbe la luce e tutto ci\u00f2 che la riguarda. In primo luogo, i polaritoni, che si generano dall'interazione dei fotoni con le eccitazioni del mezzo (fononi, eccitoni, plasmoni, magnetoni, ecc.). In secondo luogo, gli eccitoni, un'eccitazione elettronica in un dielettrico, un semiconduttore o un metallo, che migra attraverso il cristallo e non \u00e8 associata al trasporto di carica elettrica o di massa. <\/p>\n<p>\u00c8 importante notare che queste quasiparticelle amano il freddo, cio\u00e8 la loro attivit\u00e0 pu\u00f2 essere osservata solo a temperature molto basse, il che limita notevolmente le applicazioni pratiche. Ma questo era in passato. In questo lavoro, gli scienziati sono riusciti a superare la limitazione della temperatura e a utilizzarle a temperature ambiente. <\/p>\n<p>La principale caratteristica dei polaritoni \u00e8 la loro capacit\u00e0 di legare i fotoni tra loro. I fotoni che collidono con gli atomi di rubidio acquisiscono massa. Durante il processo di collisioni ripetute, i fotoni rimbalzano l'uno contro l'altro, ma in rari casi formano coppie e triplette, perdendo contemporaneamente la componente atomica rappresentata dall'atomo di rubidio.<\/p>\n<p>Ma per poter fare qualcosa con la luce, bisogna catturarla. Ecco perch\u00e9 \u00e8 necessario un risonatore ottico, che \u00e8 un insieme di elementi riflettenti che formano un'onda luminosa stazionaria. <\/p>\n<p>In questo studio, un ruolo fondamentale \u00e8 svolto da particelle esotiche ancora pi\u00f9 insolite: gli eccitoni-polaritoni, che si formano grazie alla forte interazione tra eccitoni e fotoni catturati in un risonatore ottico. <\/p>\n<p>Tuttavia, questo non \u00e8 sufficiente, poich\u00e9 \u00e8 necessaria una base materiale, cos\u00ec da dire. E chi meglio dei dicalcogenuidi dei metalli di transizione (DCM) pu\u00f2 svolgere questo ruolo? Pi\u00f9 specificamente, come materiale emettente \u00e8 stato utilizzato un mono strato di WS2 (disolfuro di tungsteno), che presenta energie di legame degli eccitoni notevoli, il che \u00e8 diventato uno dei criteri principali per la scelta della base materiale.<\/p>\n<p>La combinazione di tutti gli elementi sopra descritti ha consentito di creare un LED polaritone elettricamente controllato, funzionante a temperatura ambiente.<\/p>\n<p>Per realizzare questo dispositivo, il mono strato di WS2 \u00e8 posizionato tra sottili barriere tunnel esagonali di nitruro di boro (hBN), con strati di grafene che fungono da elettrodi.<\/p>\n<h3>Risultati dello studio<\/h3>\n<p>\nIl WS2, essendo un dicalcogenuido dei metalli di transizione, \u00e8 anche un materiale Van der Waals (vdW) a strati atomici. Questo denota le sue propriet\u00e0 elettriche, ottiche, meccaniche e termiche uniche. <\/p>\n<p>In combinazione con altri materiali vdW, come il grafene (come conduttore) e il nitruro di boro esagonale (hBN, come isolante), \u00e8 possibile realizzare una vasta gamma di dispositivi semiconduttori elettricamente controllati, tra cui LED. Combinazioni simili di materiali Van der Waals e polaritoni sono state gi\u00e0 realizzate in passato, come sottolineano i ricercatori. Tuttavia, nei lavori precedenti, i sistemi ottenuti risultavano complessi e imperfetti, e non svelavano tutto il potenziale di ciascuno dei componenti.<\/p>\n<p>Una delle idee, ispirata dai predecessori, \u00e8 stata l'applicazione di una piattaforma materiale bidimensionale. In questo caso, \u00e8 possibile realizzare dispositivi con strati emissivi atomisticamente sottili, che possono essere integrati con altri materiali vdW, fungendo da contatti (grafene) e barriere tunnel (hBN). Inoltre, tale bidimensionalit\u00e0 consente di combinare diodi a polaritoni con materiali vdW che possiedono propriet\u00e0 magnetiche insolite, superconduttivit\u00e0 elevata e\/o trasferimenti topologici non standard. Di conseguenza, \u00e8 possibile ottenere un nuovo tipo di dispositivo, le cui propriet\u00e0 possono essere piuttosto singolari. Ma, come dicono gli scienziati, questo \u00e8 un argomento per una ricerca futura.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Il futuro del Li-Fi: polaritoni, eccitoni, fotoni e un po&#039; di disolfuro di tungsteno\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/10\/474bb4f181450da715077df5ed1d92f3.jpeg\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<i>Immagine n. 1<\/i><\/p>\n<p>Nell'immagine <b>1a<\/b> \u00e8 mostrata una modello tridimensionale del dispositivo, che ricorda una torta a strati. Come specchio superiore del resonatore ottico funge uno strato d'argento, mentre come inferiore \u2014 un distribuito a 12 strati <i>riflettore di Bragg*<\/i>. Nella zona attiva \u00e8 posizionata una zona tunnel.<\/p>\n<blockquote><p><b>Riflettore di Bragg distribuito*<\/b> \u2014 \u00e8 una struttura composta da pi\u00f9 strati, in cui l'indice di rifrazione del materiale cambia periodicamente perpendolarmente agli strati.<\/p><\/blockquote>\n<p>La zona tunnel \u00e8 composta da una eterostruttura vdW costituita da un monostrato di WS2 (emettitore di luce), strati sottili di hBN su entrambi i lati del monostrato (barriera tunnel) e grafene (elettrodi trasparenti per l'inserimento di elettroni e lacune).<\/p>\n<p>Sono stati aggiunti altri due strati di WS2 per aumentare la potenza complessiva del generatore e, di conseguenza, per uno sdoppiamento pi\u00f9 marcato degli stati di polaritoni di Rabi.<\/p>\n<p>La modalit\u00e0 di funzionamento del resonatore \u00e8 regolata variando lo spessore dello strato di PMMA (polimetilmetacrilato, ovvero plexiglass).<\/p>\n<p>L'immagine <b>1b<\/b> questa \u00e8 un'immagine dell'eterostruttura vdW sulla superficie del riflettore di Bragg distribuito. A causa dell'elevata capacit\u00e0 riflettente del riflettore di Bragg distribuito, che \u00e8 lo strato inferiore, la zona tunnel nell'immagine presenta un contrasto di riflessione molto basso, risultando visibile solo il spesso strato superiore di hBN.<\/p>\n<p>Il grafico <b>1C<\/b> rappresenta un diagramma di zona vdW di eterostrutture nella geometria del tunnel sotto spostamento. L'elettroluminescenza (EL) \u00e8 osservata al di sopra della tensione soglia, quando il livello di Fermi del grafene superiore (inferiore) \u00e8 spostato sopra (sotto) la banda di conduzione (valenza) di WS2, permettendo all'elettrone (alla lacuna) di tunnelare nella banda di conduzione (valenza) di WS2. Ci\u00f2 crea condizioni favorevoli per la formazione di eccitoni nello strato di WS2 con successiva ricombinazione radiante (emissiva) elettrone-lacuna.<\/p>\n<p>A differenza degli emettitori a base di giunzioni p-n, il cui funzionamento richiede il doping, l'EL dei dispositivi a tunnel dipende esclusivamente dalla corrente di tunnel, il che consente di evitare perdite ottiche e qualsiasi variazione della resistivit\u00e0 causata dalla variazione della temperatura. Allo stesso tempo, l'architettura a tunnel consente un'area di emissione molto pi\u00f9 ampia rispetto ai dispositivi a base di giunzioni p-n a dichalcogenuri.<\/p>\n<p>L'immagine <b>1d<\/b> dimostra le caratteristiche elettriche della densit\u00e0 di corrente di tunnel (<i>J<\/i>) in funzione della tensione di spostamento (<i>V<\/i>) tra gli elettrodi di grafene. L'aumento brusco della corrente sia per la tensione positiva che per quella negativa indica la comparsa di corrente di tunnel attraverso la struttura. A uno spessore ottimale degli strati di hBN (~2 nm) si osserva una notevole corrente di tunnel e un aumento del tempo di vita dei portatori impiantati per la ricombinazione emissiva.<\/p>\n<p>Prima di condurre l'esperimento di elettroluminescenza, \u00e8 stata effettuata una caratterizzazione del dispositivo in base alla capacit\u00e0 riflettente della luce bianca con risoluzione angolare per confermare la presenza di una forte legame di eccitoni.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Il futuro del Li-Fi: polaritoni, eccitoni, fotoni e un po&#039; di disolfuro di tungsteno\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/10\/2eda878b5c3f191c79cbde03c0300d97.jpeg\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<i>Immagine n. 2<\/i><\/p>\n<p>Nell'immagine <b>2a<\/b> sono mostrati gli spettri di riflessione con risoluzione angolare dalla regione attiva del dispositivo, dimostrando un comportamento che ostacola l'attraversamento. \u00c8 stata inoltre osservata fotoluminescenza (PL) sotto eccitazione non risonante (460 nm), dimostrando una intensa emissione dal ramo inferiore del polaritone e una emissione pi\u00f9 debole dal ramo superiore del polaritone (<b>2b<\/b>).<\/p>\n<p>A <b>2s<\/b> mostra la dispersione di elettroluminescenza del polaritone con un'iniezione di 0,1 \u00b5A\/mk\u00b2. La scissione di Rabi e il disallineamento del risonatore, ottenuti tramite l'adattamento dei modi dell'oscillatore (linea bianca continua e linea tratteggiata) all'esperimento di elettroluminescenza, sono rispettivamente di circa 33 meV e circa -13 meV. Il disallineamento del risonatore \u00e8 definito come \u03b4 = Ec \u2212 Ex, dove Ex \u00e8 l'energia dell'exciton e Ec indica l'energia del fotone del risonatore con momento zero nel piano. Grafico <b>2d<\/b> \u00e8 un taglio a diversi angoli della dispersione elettroluminescente. Qui \u00e8 ben visibile la dispersione dei modi del polaritone superiore e inferiore con l'antincrocio che si verifica nella zona di risonanza dell'exciton.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Il futuro del Li-Fi: polaritoni, eccitoni, fotoni e un po&#039; di disolfuro di tungsteno\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/10\/b1793e981c757554ef25c319a590055f.jpeg\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<i>Immagine n. 3<\/i><\/p>\n<p>Con l'aumento della corrente di tunneling, l'intensit\u00e0 totale dell'EL aumenta. Un debole EL dai polaritoni \u00e8 osservato vicino al valore di soglia di spostamento (<b>3a<\/b>), mentre a uno spostamento sufficientemente grande sopra la soglia l'emissione del polaritone diventa evidente (<b>3b<\/b>).<\/p>\n<p>Nell'immagine <b>3s<\/b> mostra un diagramma polare dell'intensit\u00e0 di EL in funzione dell'angolo, rappresentando un cono stretto di emissione di \u00b1 15\u00b0. Il diagramma di radiazione rimane praticamente invariato sia per la corrente di eccitazione minima (curva verde) che per quella massima (curva arancione). Su <b>3d<\/b> \u00e8 mostrata l'intensit\u00e0 integrata a diversi correnti di tunneling mobili, che, come si pu\u00f2 vedere dal grafico, \u00e8 sufficientemente lineare. Pertanto, l'aumento della corrente a valori elevati pu\u00f2 portare a una dispersione riuscita dei polaritoni lungo il ramo inferiore e creare un diagramma di radiazione estremamente stretto a causa della generazione di polaritoni. Tuttavia, in questo esperimento non \u00e8 stato possibile raggiungere ci\u00f2 a causa di limitazioni legate alla rottura dielettrica del barrier tunnel hBN. <\/p>\n<p>I punti rossi su <b>3d<\/b> indicazioni mostrano la misura di un altro indicatore: l'efficienza quantistica esterna* <i>efficienza quantistica*<\/i>.<\/p>\n<blockquote><p><b>\u00e8 il rapporto tra il numero di fotoni il cui assorbimento ha causato la formazione di quasiparticelle e il numero totale di fotoni assorbiti.<\/b> La efficienza quantistica* \u00e8 il rapporto tra il numero di fotoni, il cui assorbimento ha causato la formazione di quasicompagni, e il numero totale di fotoni assorbiti.<\/p><\/blockquote>\n<p>L'efficienza quantistica osservata \u00e8 comparabile a quella di altri LED a polaritoni (basati su materiali organici, tubi di carbonio, ecc.). \u00c8 importante notare che lo spessore dello strato emettitore di luce nel dispositivo in esame \u00e8 di soli 0,7 nm, mentre per altri dispositivi questo valore \u00e8 molto pi\u00f9 alto. Gli scienziati non nascondono che il valore di efficienza quantistica del loro dispositivo non \u00e8 il pi\u00f9 alto, ma pu\u00f2 essere aumentato collocando un maggior numero di monostrati all'interno della zona di tunnel, separati da sottili strati di hBN. <\/p>\n<p>I ricercatori hanno anche esaminato l'effetto del disordine del risonatore sulla luce emessa dai polaritoni, realizzando un altro dispositivo, ma con un disordine pi\u00f9 forte (- 43 meV).<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Il futuro del Li-Fi: polaritoni, eccitoni, fotoni e un po&#039; di disolfuro di tungsteno\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/10\/fae6b828cd8d3ed6bb6ce5229f44a91d.jpeg\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<i>Immagine n. 4<\/i><\/p>\n<p>Nell'immagine <b>4a<\/b> Sono stati mostrati gli spettri di emissione luminosa con risoluzione angolare di tale dispositivo a una densit\u00e0 di corrente di 0,2 \u00b5A\/mm\u00b2. A causa del forte disordine, il dispositivo mostra un pronunciato effetto collo di bottiglia nell'emissione luminosa, con un massimo di emissione che si verifica ad un grande angolo. Questo \u00e8 ulteriormente confermato nell'immagine <b>4b<\/b>, dove vengono confrontati i grafici polari di questo dispositivo con il primo (<b>2s<\/b>).<\/p>\n<p>Per un approfondimento sulle sfumature della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a <noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/arxiv.org\/pdf\/1905.12227.pdf\">relazione degli scienziati<\/a><\/noindex>.<\/p>\n<h3>Epilogo<\/h3>\n<p>\nPertanto, tutte le osservazioni e le misurazioni sopra descritte confermano la presenza di elettroluminescenza a polaritoni nella struttura vdW integrata in un micro-risonatore ottico. L'architettura a tunnel del dispositivo in esame consente l'iniezione di elettroni\/fori e la ricombinazione nel monostrato di WS2, che funge da emettitore di luce. \u00c8 importante sottolineare che il meccanismo a tunnel del dispositivo non richiede la legatura dei componenti, il che minimizza le perdite e le varie variazioni legate alla temperatura.<\/p>\n<p>\u00c8 stato stabilito che l'emissione luminosa ha un'alta direzionalit\u00e0 a causa della dispersione del risonatore. Pertanto, un miglioramento della qualit\u00e0 del risonatore e un'alimentazione elettrica pi\u00f9 elevata permetteranno di aumentare l'efficienza dei LED micro-risonatori, cos\u00ec come dei polaritoni micro-risonatori e dei laser fotonici controllati elettricamente.<\/p>\n<p>Questo lavoro ha nuovamente confermato che i dicomposti di metalli di transizione possiedono propriet\u00e0 davvero uniche e un ampio spettro di applicazioni.<\/p>\n<p>Queste ricerche e invenzioni innovative possono avere un grande impatto sullo sviluppo e sulla diffusione delle tecnologie di trasmissione dati tramite LED e luce in generale. Una di queste tecnologie futuristiche \u00e8 il Li-Fi, che pu\u00f2 garantire velocit\u00e0 significativamente superiori rispetto al Wi-Fi attuale.<\/p>\n<p>Grazie per l'attenzione, rimanete curiosi e buona settimana di lavoro a tutti, ragazzi! \ud83d\ude42<\/p>\n<p>Grazie per rimanere con noi. Ti piacciono i nostri articoli? Vuoi vedere pi\u00f9 contenuti interessanti? 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