Teamwork laat het licht steeds feller schijnen

Als u op zoek bent naar één techniek om de fotonuitvoer van plasmonen te maximaliseren, stop dan. Er zijn er twee nodig om te ruziën.

Natuurkundigen van Rice University stuitten op een fenomeen dat het licht van een apparaat op nanoschaal meer dan 1000 keer zo sterk stimuleert als ze hadden verwacht.

Wanneer we kijken naar licht dat afkomstig is van een plasmonische junctie, een microscopisch kleine opening tussen twee gouden nanodraden, zijn er omstandigheden waarin het toepassen van optische of elektrische energie afzonderlijk slechts een bescheiden hoeveelheid lichtemissie veroorzaakte. Het samen toepassen van beide veroorzaakte echter een uitbarsting van licht die de output onder beide individuele stimulus ver overtrof.

De onderzoekers onder leiding van Rice-natuurkundige Douglas Natelson en hoofdauteurs Longji Cui en Yunxuan Zhu ontdekten het effect tijdens het opvolgen van experimenten die ontdekten dat het sturen van stroom door de opening het aantal lichtgevende ‘hete drager’-elektronen in de elektroden verhoogde.

Nu weten ze dat het toevoegen van energie van een laser aan hetzelfde knooppunt het nog helderder maakt. Het effect zou kunnen worden gebruikt om nanofotonische schakelaars te maken voor computerchips en voor geavanceerde fotokatalysatoren.

De details verschijnen in het tijdschrift American Chemical Society Nano Letters.

“Het is al lang bekend dat het mogelijk is om een ​​lichtemissie van deze kleine structuren te krijgen”, zei Natelson. “In ons vorige werk hebben we laten zien dat plasmonen een belangrijke rol spelen bij het genereren van zeer hete ladingsdragers, gelijk aan een paar duizend graden.”

Plasmonen zijn ladingsrimpelingen die energie vervoeren en wanneer ze worden geactiveerd, stromen ze over het oppervlak van bepaalde metalen, waaronder goud. In het spanningsgestuurde mechanisme tunnelen elektronen door de opening, waardoor plasmonen worden opgewekt, wat leidt tot hete elektronen die recombineren met elektron “gaten” en daarbij fotonen uitzenden.

Hoewel het effect destijds dramatisch leek, verbleekte het in vergelijking met de nieuwe ontdekking.

“Ik hou van het idee van ‘1 + 1 = 1000’,” zei Natelson. “Je doet twee dingen, die elk je niet veel licht geven in dit energiegebied, maar samen, heilige koe! Er komt veel licht uit.”

De specifieke mechanismen zijn het waard om verder te worden bestudeerd, zei hij. Een mogelijkheid is dat optische en elektrische aandrijvingen worden gecombineerd om de generatie van hete elektronen te verbeteren. Een alternatief is dat de lichtemissie een boost krijgt via anti-Stokes elektronische Raman-verstrooiing. In dat proces zet lichtinvoer reeds opgewonden hete dragers ertoe aan om terug te ontspannen naar hun grondtoestand, waardoor meer fotonen vrijkomen.

“Er is daar iets interessants aan de hand, waarbij elk van deze individuele opwinding niet genoeg is om je de hoeveelheid licht te geven die naar buiten komt”, zei Natelson. “Maar zet ze bij elkaar en de effectieve temperatuur is veel hoger. Dat is een mogelijke verklaring: dat de lichtopbrengst een exponentiële functie is van de temperatuur. Het bereiken van die effectieve temperatuur duurt honderden femtoseconden.

“Het Raman-mechanisme is subtieler, waar licht binnenkomt, energie uit de spanning haalt en zelfs sterker licht weggaat”, zei hij. “Dat gaat nog sneller, dus een tijdsafhankelijk experiment kan ons waarschijnlijk helpen het dominante mechanisme te achterhalen.

“De reden dat het netjes is, is dat je in principe de elektrische aandrijving en het binnenkomende licht kunt koppelen om allerlei dingen te doen”, zei Natelson. “Als het hot carrier-plaatje klopt, is er de mogelijkheid om een ​​interessante scheikunde te doen.”

Co-auteurs van de paper zijn Peter Nordlander, de Wiess Chair in Physics and Astronomy en een professor in elektrische en computertechniek en materiaalkunde en nanoengineering bij Rice, en Massimiliano Di Ventra, een professor in de natuurkunde aan de University of California, San Diego. Cui, een voormalig postdoctoraal onderzoeker bij Rice, is nu assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalkunde en engineering aan de Universiteit van Colorado in Boulder. Zhu is een afgestudeerde student aan Rice. Natelson is voorzitter en hoogleraar natuurkunde en astronomie en hoogleraar elektrische en computertechniek en materiaalkunde en nano-engineering.