Las fuentes de energía combinadas maximizan la producción de fotones de los plasmones

Marzo 19, 2021

Los físicos de la Universidad de Rice se encontraron con un fenómeno que aumenta la luz de un dispositivo a nanoescala más de 1.000 veces más de lo que anticipaban.

Al observar la luz que proviene de una unión plasmónica, un espacio microscópico entre dos nanocables de oro, existen condiciones en las que la aplicación de energía óptica o eléctrica individualmente provocó solo una pequeña cantidad de emisión de luz. Sin embargo, la aplicación de ambos a la vez provocó un estallido de luz que superó con creces la salida bajo cada estímulo individual.

Los investigadores dirigidos por el físico de Rice Douglas Natelson y los autores principales Longji Cui y Yunxuan Zhu encontraron el efecto mientras seguían experimentos que descubrieron que la conducción de corriente a través de la brecha aumentaba la cantidad de electrones "portadores calientes" emisores de luz en los electrodos.

Ahora saben que agregar energía de un láser a la misma unión la hace aún más brillante. El efecto podría emplearse para fabricar interruptores nanofotónicos para chips de computadora y para fotocatalizadores avanzados.

Los detalles aparecen en la revista Nano Letters de la American Chemical Society .

"Se sabe desde hace mucho tiempo que es posible obtener una emisión de luz de estas estructuras diminutas", dijo Natelson. " En nuestro trabajo anterior, mostramos que los plasmones juegan un papel importante en la generación de portadores de carga muy calientes, equivalentes a un par de miles de grados".

Los plasmones son ondas de carga que transportan energía y, cuando se activan, fluyen a través de la superficie de ciertos metales, incluido el oro.

En el mecanismo impulsado por voltaje, los electrones atraviesan el espacio, excitando los plasmones, lo que lleva a que los electrones calientes se recombinen con los "huecos" de electrones y emitan fotones en el proceso.

Aunque el efecto parecía dramático en ese momento, palideció en comparación con el nuevo descubrimiento.

"Me gusta la idea de '1 + 1 = 1,000", dijo Natelson. "Haces dos cosas, cada una de las cuales no te da mucha luz en este rango de energía, pero juntas, ¡vaca sagrada! Hay mucha luz saliendo".

Los mecanismos específicos merecen un estudio más a fondo, dijo. Una posibilidad es que los impulsores ópticos y eléctricos se combinen para mejorar la generación de electrones calientes.

Una alternativa es que la emisión de luz reciba un impulso a través de la dispersión electrónica Raman anti-Stokes. En ese proceso, la entrada de luz incita a los portadores calientes ya excitados a relajarse de nuevo a sus estados fundamentales, liberando más fotones.

"Algo interesante está sucediendo allí, donde cada una de estas excitaciones individuales no es suficiente para darte la cantidad de luz que sale", dijo Natelson. "Pero juntándolos, la temperatura efectiva es mucho más alta. Esa es una posible explicación: que la salida de luz es una función exponencial de la temperatura. Alcanzar esa temperatura efectiva toma cientos de femtosegundos.

"El mecanismo Raman es más sutil, donde la luz entra, toma energía del voltaje y sale luz aún más fuerte" , dijo. "Eso sucede aún más rápido, por lo que un experimento dependiente del tiempo probablemente podría ayudarnos a descubrir el mecanismo dominante.

"La razón por la que es genial es que se puede, en principio, acoplar el impulsor eléctrico y la luz que entra para hacer todo tipo de cosas", dijo Natelson . "Si la imagen del portador caliente es correcta, existe la posibilidad de hacer una química interesante".

Los coautores del artículo son Peter Nordlander, presidente de la Cátedra Wiess de Física y Astronomía y profesor de ingeniería eléctrica e informática y de ciencia de los materiales y nanoingeniería en Rice, y Massimiliano Di Ventra, profesor de física en la Universidad de California, San Diego. Cui, ex becario postdoctoral en Rice, ahora es profesor asistente de ingeniería mecánica y ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Colorado Boulder.

Zhu es un estudiante de posgrado en Rice. Natelson es presidente y profesor de física y astronomía y profesor de ingeniería eléctrica e informática y de ciencia de materiales y nanoingeniería.

La beca J. Evans Attwell Welch, el Instituto Smalley-Curl de Rice, la Fundación Robert A. Welch, la Universidad de Colorado y la Fundación Nacional de Ciencias apoyaron la investigación.

Fuente: https://www.azooptics.com/News.aspx?newsID=26689