p Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Osaka, Universidade da Prefeitura de Osaka, Universidade da cidade de Osaka, e a Universidade da Prefeitura de Shiga encontraram decaimento radiativo excitônico mais rápido do que a defasagem térmica em temperatura ambiente em filmes finos de óxido de zinco (ZnO). Esses resultados, publicado recentemente em Cartas de revisão física , irá reduzir significativamente a perda de energia térmica em operações ópticas. p Um exciton é um estado ligado de um elétron e um buraco de elétron que são atraídos um pelo outro. ZnO, que tem uma grande lacuna de banda e alta estabilidade excitônica, é estudado como um material promissor para vários dispositivos fotônicos, como diodos emissores de azul / ultravioleta, lasers ultravioleta, e baterias solares de absorção ultravioleta.

p Os átomos e moléculas podem absorver a energia da luz e saltar para um nível de energia mais alto (estado excitado), mas no processo inverso, conhecido como emissão de luz, eles retornam ao estado fundamental, liberando a energia extra que absorveram. Isso é chamado de "processo óptico". Para aumentar a eficiência de emissão em dispositivos sólidos, como diodos emissores de luz, é necessário fortalecer a interação luz-matéria e acelerar a absorção e a emissão de luz; Contudo, o desempenho marginal de ZnO consistindo de bandas de excitons duplas (Figura 1b) não foi bem compreendido.

p Acelerar o processo óptico é importante para a economia de energia, dispositivos ópticos de alta eficiência porque um processo óptico mais rápido do que o defasamento térmico reduziria a perda de energia térmica; Contudo, não havia princípios orientadores claros para desenvolver dispositivos fotônicos de alta velocidade e pensava-se que o decaimento radiativo de estados excitados em sólidos levava pelo menos várias dezenas de picossegundos (ps).

p Os átomos e moléculas constituintes dos sólidos desempenham o papel de antenas dipolo cujas energias excitadas são emitidas como luz. O tamanho da expansão espacial dessas antenas determina a velocidade e eficiência da radiação de luz, ou o desempenho de dispositivos emissores de luz.

p Neste estudo, a equipe propôs uma nova teoria:um número macroscópico de átomos cooperativamente formam antenas gigantes amplamente estendidas em cristais de ZnO e as "antenas gêmeas" oscilam sincronicamente, reforçando-se entre si devido à degenerescência da banda de valência do ZnO. (Figura 1c)

p Em experimentos, eles mediram os tempos de decaimento radiativo usando filmes finos de ZnO de alta qualidade (Figura 1a), demonstrando que ocorreu uma decadência extremamente rápida de pouco menos de 20 femtossegundos (fs). (Figura 1d) Esta velocidade é três ordens de magnitude mais rápida do que nunca observada em semicondutores típicos e ainda mais rápida do que a velocidade de defasagem térmica de excitons à temperatura ambiente, que abrirá o caminho para a realização da fotônica "ultrarrápida e livre de calor".

p O autor principal Matsuda diz:"Em princípio, o calor não é produzido em um processo óptico mais rápido do que a defasagem térmica de excitons, portanto, pode-se dizer que os resultados da nossa pesquisa servirão como um princípio orientador para desenvolver dispositivos fotônicos de última geração com dispositivos não termogênicos, consumo de energia ultrabaixo da próxima geração. Dispositivos ópticos convencionais geram calor e dispositivos ópticos ativos que absorvem luz, em particular, aumentar o consumo de energia. Nossa nova teoria ajudará a concretizar uma sociedade sustentável além dos limites de eficiência energética convencionalmente tidos como certos. "