Совершенно неожиданное поведение освещения

Крошечные нанопроволоки считаются многообещающими кандидатами для электроники будущего. Потому что их можно использовать для преобразования электричества в свет и наоборот. Это также позволило бы соединить его с оптическими компонентами, которые можно было бы использовать, например, для квантовой связи. Однако производство таких нанопроволок очень сложно, и многие вопросы об их свойствах до сих пор остаются без ответа. В интервью Welt der Physik Карстен Роннинг из Университета Фридриха Шиллера в Йене рассказывает, что он и его команда обнаружили на синхротронном источнике ESRF в Гренобле.

Какими особыми свойствами обладают нанопроволоки?

Как следует из названия, провода очень тонкие. Обычно используются нанопроволоки диаметром от 50 до 500 нанометров, где нанометр равен одной миллиардной части метра. Такие нанопроволоки в тысячу раз тоньше человеческого волоса. В то же время их длина примерно равна толщине волоса. Это действительно крошечные провода, которые можно наблюдать только под специальными микроскопами. Однако у них есть особые свойства: поскольку их размеры близки к длине волны света, они могут особенно хорошо взаимодействовать со световыми волнами. Это очень интересно с технологической точки зрения, потому что его можно использовать, например, для создания крошечных лазеров или для одновременного использования электрических и световых сигналов на так называемом оптоэлектронном чипе.

Какие виды нанопроволок вы изучали?

Для наших новых экспериментов, которые докторанты проводили в моём институте, мы использовали нанопроволоки из оксида цинка. Оксид цинка — это полупроводник, материал, который не проводит электричество так легко, как металл, но все же не является изолятором. Полупроводники используются для многих целей в электронике и оптических системах. Например, коммерчески доступные светодиоды или солнечные элементы также основаны на полупроводниковой технологии. Чтобы подогнать электронные свойства полупроводников, в их кристаллическую решетку обычно добавляют примеси.

Как ты это делаешь?

Для таких целей у нас есть отличный инструмент, так называемый ускоритель ионов. С помощью нашего устройства мы можем разгонять атомы из всей таблицы Менделеева и стрелять ими в любой другой материал, включая нанопроволоки, которые мы ранее вырастили на подложке. В нашем случае мы имплантировали атомы кобальта в нанопроволоки оксида цинка. Мы выбрали кобальт, потому что он может служить световым центром в этом полупроводнике и поэтому может представлять особый интерес для квантовых технологий. Потому что, если вы возбудите атомы кобальта, например, рентгеновскими лучами, они проявят люминесцентное поведение и начнут светиться в видимом свете.

Как вы изучали поведение освещения?

Для наших целей обычных источников рентгеновского излучения недостаточно для возбуждения светящихся центров. Мы проводим здесь фундаментальные исследования и пытаемся понять взаимодействие имплантированных атомов с нанопроволоками и с внешними источниками энергии, такими как рентгеновские лучи. Кроме того, атомы кобальта распределены в нанопроволоках неравномерно, а образуют различные плотные группировки. Поэтому нам нужен был чрезвычайно острый и в то же время интенсивный рентгеновский луч, с помощью которого мы могли бы шаг за шагом сканировать наши нанопроволоки. В настоящее время лучшим источником рентгеновского излучения в мире является синхротронный источник ESRF в Гренобле. Этот аппарат излучает чрезвычайно резкий и яркий рентгеновский луч, с помощью которого наш материал может быть очень хорошо проанализирован.

Имеет ли этот удивительный результат особый смысл?

Измерение не было теоретически предсказано в этой форме. Наше предположение состоит в том, что короткое время затухания связано с тем, что атомы кобальта в материале возбуждаются напрямую. В норме возбуждается весь материал, и только взаимодействия между полупроводником и светящимся центром приводят к свечению. По-видимому, светящиеся центры можно стимулировать и непосредственно.

Можно ли уже использовать это новое знание?

Можно ли и как это использовать технологически, мы пока не можем сказать. Такие эксперименты являются чистым фундаментальным исследованием. Первоначальная цель нашей работы состояла в том, чтобы сначала разработать и настроить сложную измерительную аппаратуру и испытать её на этом материале. Вот почему мы, конечно, были очень приятно удивлены тем, что смогли извлечь новые секреты прямо из материала. Но мы рады, что наша измерительная установка работает настолько хорошо, что теперь с ее помощью можно исследовать множество других материалов.