{"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":"

\"Il
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\nDa molti anni, scienziati di tutto il mondo si dedicano a due attivit\u00e0: inventare e perfezionare. A volte non \u00e8 chiaro quale delle due sia pi\u00f9 difficile. Prendiamo, ad esempio, i comuni LED, che ci sembrano cos\u00ec semplici e quotidiani da non attrarre nemmeno la nostra attenzione. Ma se aggiungiamo un po' di eccitoni, un pizzico di polaritoni e del disolfuro di tungsteno a piacere, i LED non saranno pi\u00f9 cos\u00ec banali. Tutti questi termini complessi sono nomi di componenti estremamente peculiari la cui combinazione ha permesso agli scienziati del City College di New York di creare un nuovo sistema in grado di trasmettere informazioni estremamente rapidamente tramite la luce. Questa innovazione aiuter\u00e0 a migliorare la tecnologia Li-Fi. Quali ingredienti specifici sono stati utilizzati in questa nuova tecnologia, qual \u00e8 la ricetta di questo \"piatto\" e qual \u00e8 l'efficacia del nuovo LED eccitone-polaritone? Su questo ci informer\u00e0 la relazione degli scienziati. Andiamo.<\/a><\/noindex><\/p>\n

La base della ricerca<\/h3>\n

\nSe dovessimo semplificare tutto a una parola, questa tecnologia rappresenta la luce e tutto ci\u00f2 che con essa \u00e8 connesso. Innanzitutto, i polaritoni, che si generano dall'interazione tra fotoni ed eccitazioni del mezzo (fononi, eccitoni, plasmoni, magnoni, ecc.). In secondo luogo, gli eccitoni sono un'eccitazione elettronica in un dielettrico, in un semiconduttore o in un metallo, che migra attraverso il cristallo senza trasportare carica elettrica o massa. <\/p>\n

\u00c8 importante sottolineare che queste quasi-particelle amano molto il freddo, cio\u00e8 \u00e8 possibile osservare la loro attivit\u00e0 solo a temperature estremamente basse, il che limita fortemente l'applicazione pratica. Ma questo era prima. In questo lavoro, i ricercatori sono riusciti a superare il limite di temperatura e ad utilizzarle a temperature ambiente. <\/p>\n

La caratteristica principale dei polaritoni \u00e8 la loro capacit\u00e0 di legare i fotoni tra di loro. I fotoni che collidono con gli atomi di rubidio acquisiscono massa. In seguito a molteplici collisioni, i fotoni rimbalzano l'uno sull'altro, ma in rari casi formano coppie e triplette, perdendo al contempo la componente atomica rappresentata dall'atomo di rubidio.<\/p>\n

Tuttavia, per fare qualcosa con la luce, \u00e8 necessario catturarla. A questo scopo serve un risonatore ottico, che \u00e8 un insieme di elementi riflettenti che formano un'onda luminosa stazionaria. <\/p>\n

In questa ricerca, un ruolo fondamentale \u00e8 svolto da particelle quasi esotiche ancora pi\u00f9 straordinarie: i polaritoni eccitoni, che si formano grazie a una forte interazione tra eccitoni e fotoni intrappolati nel risonatore ottico. <\/p>\n

Tuttavia, questo non \u00e8 sufficiente, poich\u00e9 \u00e8 necessaria una base materiale, per cos\u00ec dire. E chi meglio dei dicalcogenuri dei metalli di transizione (DCM) pu\u00f2 svolgere questo compito? Pi\u00f9 precisamente, come materiale emittente \u00e8 stato utilizzato un monostrato di WS2 (disolfuro di tungsteno), che possiede energie di legame degli eccitoni notevoli, il che \u00e8 stato uno dei principali criteri per la scelta della base materiale.<\/p>\n

La combinazione di tutti gli elementi sopra descritti ha consentito di creare un LED polaritone elettricamente controllato, funzionante a temperatura ambiente.<\/p>\n

Per realizzare questo dispositivo, il WS2 \u00e8 posizionato tra sottili barriere tunnel esagonali di nitruro di boro (hBN), con strati di grafene che fungono da elettrodi.<\/p>\n

Risultati della ricerca<\/h3>\n

\nIl WS2, essendo un dichalcogenuro di metallo transizionale, \u00e8 anche un materiale Van der Waals (vdW) atomico ultrafine. Ci\u00f2 evidenzia le sue propriet\u00e0 elettriche, ottiche, meccaniche e termiche uniche. <\/p>\n

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 i LED. Tali combinazioni di materiali Van der Waals e polaritoni sono gi\u00e0 state realizzate in precedenza, come affermato esplicitamente dai ricercatori. Tuttavia, nelle opere precedenti, i sistemi risultanti erano complessi e imperfetti e non rivelavano tutto il potenziale di ciascun componente.<\/p>\n

Una delle idee che si sono ispirate ai predecessori \u00e8 stata l'applicazione di una piattaforma materiale bidimensionale. In questo caso, \u00e8 possibile realizzare dispositivi con strati emissivi atomicamente sottili, che possono essere integrati con altri materiali vdW, fungendo da contatti (grafene) e barriere di tunnel (hBN). Inoltre, tale bidimensionalit\u00e0 consente di combinare i diodi polaritoni con materiali vdW dotati di propriet\u00e0 magnetiche insolite, superconduttivit\u00e0 intensa e\/o trasferimenti topologici non standard. Il risultato di questa combinazione potrebbe dare origine a un nuovo tipo di dispositivo, le cui propriet\u00e0 potrebbero rivelarsi piuttosto singolari. Ma, come dicono gli scienziati, questo \u00e8 un argomento per un'altra ricerca.<\/p>\n

\"Il
\nImmagine n. 1<\/i><\/p>\n

Nell'immagine 1a<\/b> \u00e8 mostrato un modello tridimensionale del dispositivo, che ricorda una torta a strati. Come specchio superiore del risonatore ottico funge uno strato d'argento, mentre come inferiore un distribuito a 12 strati Riflettore di Bragg*<\/i>. Nella zona attiva si trova la zona di tunnel.<\/p>\n

Riflettore di Bragg distribuito*<\/b> \u2014 una struttura a pi\u00f9 strati in cui l'indice di rifrazione del materiale cambia periodicamente perpendicolarmente agli strati.<\/p><\/blockquote>\n

La zona tunnel \u00e8 composta da una eterostruttura vdW costituita da un monostrato di WS2 (emettitore di luce), strati sottili di hBN da entrambi i lati del monostrato (barriera tunnel) e grafene (elettrodi trasparenti per l'iniezione di elettroni e lacune).<\/p>\n

Sono stati aggiunti altri due strati di WS2 per aumentare la forza complessiva del generatore e, di conseguenza, per un pi\u00f9 marcato separazione degli stati polaritoni di Rabi.<\/p>\n

La modalit\u00e0 di funzionamento del risonatore \u00e8 regolata variando lo spessore dello strato di PMMA (polimetilmetacrilato, cio\u00e8 plexiglass).<\/p>\n

Immagine 1b<\/b> questo \u00e8 un'immagine dell'eterostruttura vdW sulla superficie di un riflettore Bragg distribuito. A causa dell'elevata capacit\u00e0 riflettente del riflettore Bragg distribuito, che funge da strato inferiore, la zona tunnel nell'immagine presenta un contrasto di riflessione molto basso, risultando visibile solo lo strato superiore spesso di hBN.<\/p>\n

Il grafico 1C<\/b> rappresenta un diagramma vdW della eterostruttura nella geometria di un tunnel sotto spostamento. L'elettroluminescenza (EL) si osserva oltre una tensione soglia, quando il livello di Fermi del grafene superiore (inferiore) \u00e8 spostato sopra (sotto) la banda di conduzione (valenza) del WS2, consentendo a un elettrone (buco) di tunnel nella banda di conduzione (valenza) del WS2. Questo crea condizioni favorevoli per la formazione di eccitoni nello strato di WS2 con una successiva ricombinazione radiante (emissiva) elettrone-buco.<\/p>\n

A differenza dei dispositivi ad emissione di luce basati su giunzioni p-n, per il cui funzionamento \u00e8 necessario il doping, l'EL dei dispositivi a tunnel dipende esclusivamente dalla corrente di tunnel, evitando cos\u00ec perdite ottiche e qualsiasi variazione della resistivit\u00e0 specifica dovuta ai cambiamenti di temperatura. Allo stesso tempo, l'architettura a tunnel consente un'area di emissione significativamente pi\u00f9 ampia rispetto ai dispositivi basati su giunzioni p-n dei dicalcogeni.<\/p>\n

Immagine 1d<\/b> dimostra le caratteristiche elettriche della densit\u00e0 di corrente di tunnel (J<\/i>) in funzione della tensione di spostamento (V<\/i>) tra gli elettrodi di grafene. L'aumento repentino della corrente sia per la tensione positiva che negativa indica la formazione di corrente di tunnel attraverso la struttura. A uno spessore ottimale degli strati di hBN (~2 nm), si osserva una significativa corrente di tunnel e un aumento del tempo di vita dei portatori intrappolati per la ricombinazione radiativa.<\/p>\n

Prima di condurre l'esperimento elettroluminescente, \u00e8 stata effettuata una caratterizzazione del dispositivo in termini di capacit\u00e0 riflettente alla luce bianca con risoluzione angolare per confermare la presenza di una forte connessione tra gli excitoni.<\/p>\n

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\nImmagine n. 2<\/i><\/p>\n

Nell'immagine 2a<\/b> Sono stati mostrati gli spettri di riflessione con risoluzione angolare dalla zona attiva del dispositivo, che dimostrano un comportamento che ostacola l'intersezione. \u00c8 stata inoltre osservata fotoluminescenza (PL) sotto eccitazione non risonante (460 nm), mostrando un'emissione intensa dal ramo inferiore del polaritone e un'emissione pi\u00f9 debole dal ramo superiore del polaritone (2b<\/b>).<\/p>\n

Su 2s<\/b> \u00e8 mostrata la dispersione dell'eletroluminescenza del polaritone all'inserimento di 0,1 \u03bcA\/mkm\u00b2. Le suddivisioni di Rabi e il disguido del risonatore, ottenuti tramite l'adattamento delle modalit\u00e0 dell'oscillatore (linea bianca continua e punteggiata) all'esperimento di eletroluminescenza, sono rispettivamente di circa 33 meV e circa -13 meV. Il disguido del risonatore \u00e8 definito come \u03b4 = Ec \u2212 Ex, dove Ex \u00e8 l'energia dell'excitone e Ec indica l'energia del fotone del risonatore con impulso nullo nel piano. Grafico 2d<\/b> questo \u00e8 un taglio a diversi angoli della dispersione elettroluminescente. Qui \u00e8 ben visibile la dispersione delle modalit\u00e0 del polaritone superiore e inferiore con l'antiintersezione che avviene nella zona della risonanza dell'excitone.<\/p>\n

\"Il
\nImmagine n. 3<\/i><\/p>\n

Con l'aumento della corrente di tunnel, l'intensit\u00e0 totale dell'E.L. aumenta. Una debole E.L. dai polaritoni \u00e8 osservata vicino allo spostamento soglia (3a<\/b>), mentre a uno spostamento sufficientemente grande al di sopra della soglia, l'emissione del polaritone diventa netta (3b<\/b>).<\/p>\n

Nell'immagine 3c<\/b> mostra un grafico polare dell'intensit\u00e0 dell'\u00c9L in funzione dell'angolo, che rappresenta un cono di emissione stretto di \u00b1 15\u00b0. Il diagramma di emissione rimane praticamente invariato sia per la corrente di eccitazione minima (curva verde) che per quella massima (curva arancione). Su 3d<\/b> viene mostrata l'intensit\u00e0 integrata a diverse correnti di tunnel in movimento, che, come si pu\u00f2 vedere dal grafico, \u00e8 sufficientemente lineare. Pertanto, un aumento della corrente a valori elevati pu\u00f2 portare a una dispersione di polaritoni lungo il ramo inferiore e creare un diagramma di emissione estremamente stretto a causa della generazione di polaritoni. Tuttavia, in questo esperimento non \u00e8 stato possibile raggiungere questo obiettivo a causa di una limitazione legata alla digitalizzazione del tunnel barriera hBN. <\/p>\n

I punti rossi su 3d<\/b> mostrano le misurazioni di un altro parametro \u2014 l'efficienza quantistica esterna* efficienza quantistica*<\/i>.<\/p>\n

\u00e8 il rapporto tra il numero di fotoni la cui assorbimento ha causato la formazione di quasicorpo, e il numero totale di fotoni assorbiti.<\/b> \u2014 il rapporto tra il numero di fotoni la cui assorbimento ha causato la formazione di quasielementi e il numero totale di fotoni assorbiti.<\/p><\/blockquote>\n

L'efficienza quantica osservata \u00e8 comparabile a quella di altriLED polaritoni (basati su materiali organici, tubi di carbonio, ecc.). \u00c8 importante notare che nello dispositivo studiato lo spessore dello strato emittente \u00e8 di soli 0,7 nm, mentre in altri dispositivi questo valore \u00e8 significativamente pi\u00f9 alto. I ricercatori non nascondono che il valore dell'efficienza quantica del loro dispositivo non \u00e8 il pi\u00f9 elevato, ma pu\u00f2 essere aumentato collocando un numero maggiore di monostrati all'interno della zona di tunnel, separati da sottili strati di hBN. <\/p>\n

I ricercatori hanno anche esaminato l'influenza del disturbo del risonatore sulla EL del polaritone, realizzando un altro dispositivo, ma con un disturbo pi\u00f9 forte (-43 meV).<\/p>\n

\"Il
\nImmagine n. 4<\/i><\/p>\n

Nell'immagine 4a<\/b> Sono stati mostrati gli spettri della EL con risoluzione angolare di tale dispositivo a una densit\u00e0 di corrente di 0,2 \u03bcA\/mkm2. A causa del forte disturbo, il dispositivo mostra un evidente effetto bottleneck nella EL con un massimo di emissione che si verifica ad un angolo elevato. Questo \u00e8 ulteriormente confermato nell'immagine 4b<\/b>, in cui vengono confrontati i grafici polari di questo dispositivo con il primo (2s<\/b>).<\/p>\n

Per una comprensione pi\u00f9 dettagliata delle sfumature della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a un rapporto degli scienziati<\/a><\/noindex>.<\/p>\n

Epilogo<\/h3>\n

\nPertanto, tutte le osservazioni e le misurazioni sopra descritte confermano la presenza di elettroluminescenza polaritonica nella eterostruttura vdW integrata in un micro-risonatore ottico. L'architettura a tunnel del dispositivo analizzato consente l'inserimento di elettroni \/ lacune e la ricombinazione nel monostrato WS2, che funge da emettitore di luce. \u00c8 importante notare che il meccanismo a tunnel del dispositivo non richiede la lega dei componenti, riducendo al minimo le perdite e le varie modifiche associate alla temperatura.<\/p>\n

\u00c8 stato stabilito che l'elettroluminescenza ha un'elevata direzionalit\u00e0 grazie alla dispersione del risonatore. Di conseguenza, il miglioramento della qualit\u00e0 del risonatore e un'alimentazione elettrica pi\u00f9 elevata aumenteranno l'efficienza dei LED a micro-risonatore, cos\u00ec come dei polaritoni a micro-risonatore controllati elettricamente e dei laser fotonici.<\/p>\n

Questo lavoro ha nuovamente confermato che i dichalogenuri dei metalli di transizione possiedono effettivamente propriet\u00e0 uniche e un ampio spettro di applicazioni.<\/p>\n

Queste ricerche e invenzioni innovative possono avere un forte impatto sullo sviluppo e sulla diffusione delle tecnologie di trasmissione dei dati attraverso i LED e la luce in generale. Tra queste tecnologie futuristiche c'\u00e8 il Li-Fi, che pu\u00f2 garantire una velocit\u00e0 significativamente superiore a quella del Wi-Fi attuale.<\/p>\n

Grazie per l'attenzione, rimanete curiosi e buona settimana lavorativa a tutti, ragazzi! \ud83d\ude42<\/p>\n

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

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