Os arquitetos da Renascença demonstraram sua compreensão da geometria e da física quando construíram galerias sussurrantes em suas catedrais. Essas câmaras circulares foram projetadas para amplificar e direcionar as ondas sonoras para que, quando estiver no lugar certo, um sussurro pode ser ouvido do outro lado da sala. Agora, cientistas da Universidade da Pensilvânia aplicaram o mesmo princípio em nanoescala para reduzir drasticamente o tempo de vida das emissões, uma propriedade chave dos semicondutores, o que pode levar ao desenvolvimento de novos dispositivos fotônicos ultrarrápidos.

A pesquisa foi conduzida pelo professor associado Ritesh Agarwal, bolsistas de pós-doutorado Chang-Hee Cho e Sung-Wook Nam e o estudante de graduação Carlos O. Aspetti, todos do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Penn. Michael E. Turk e James M. Kikkawa, do Departamento de Física e Astronomia da Escola de Artes e Ciências, também contribuíram para o estudo.

Sua pesquisa foi publicada na revista Materiais da Natureza .

"Quando você excita um semicondutor, então leva alguns nanossegundos para voltar ao estado fundamental acompanhado pela emissão de luz, "Agarwal disse." Esse é o tempo de vida da emissão. É aproximadamente a quantidade de tempo que a luz está acesa, e, portanto, é o tempo que leva para estar pronto para ser ligado novamente.

"Se você está fazendo um modulador, algo que muda para frente e para trás, você está limitado por essa constante de tempo. O que fizemos foi reduzi-lo a menos de um picossegundo. É mais de mil vezes mais rápido do que qualquer coisa atualmente disponível. "

Em semicondutores, o estado excitado é quando a energia está presente no sistema, e o estado fundamental é quando não há nenhum. Normalmente, o semicondutor deve primeiro "esfriar" no estado excitado, liberando energia como calor, antes de "pular" de volta ao estado fundamental, liberando a energia restante como luz. Nanofios semicondutores da equipe da Penn, Contudo, pode pular diretamente de um estado de excitação de alta energia para o solo, praticamente eliminando o período de resfriamento.

O avanço na vida útil das emissões se deve à construção exclusiva dos nanofios da equipe. Em sua essência, eles são sulfeto de cádmio, um material nanofio comum. Mas eles também estão envolvidos em uma camada tampão de dióxido de silício, e, criticamente, uma camada externa de prata. O revestimento de prata suporta o que é conhecido como plasmons de superfície, ondas únicas que são uma combinação de elétrons de metal oscilantes e de luz. Esses plasmons de superfície estão altamente confinados à superfície em que as camadas de dióxido de silício e prata se encontram.

"O estado da arte anterior era usar um nanofio, assim como o nosso, e colocá-lo em uma superfície de metal, "Agarwal disse." Nós curvamos a superfície de metal ao redor do fio, fazendo uma cavidade plasmônica em nanoescala completa e o efeito de galeria sussurrante. "

Para certos tamanhos de nanofios, o revestimento prateado cria bolsões de ressonância e, portanto, campos eletromagnéticos altamente confinados dentro da nanoestrutura. A vida útil da emissão pode então ser projetada controlando com precisão os campos eletromagnéticos de alta intensidade dentro do meio emissor de luz, que é o núcleo de sulfeto de cádmio.

Para alcançar uma vida útil de emissão medida em femtossegundos, os pesquisadores precisavam equilibrar de forma otimizada este campo eletromagnético de alto confinamento com um "fator de qualidade apropriado, " 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. Contudo, 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.