Перспективы применения сверхскоростных светодиодов в телекоммуникационном оборудовании

В этом году Нобелевская премия по физике была вручена за изобретение голубых светодиодов, которые должны повысить эффективность работы многих устройств: от лампочек до дисплеев. Открытие окажет большое влияние на технологии освещения и представления информации. В свете этих событий исследователи университета Дьюка приблизились к идее применения новых светодиодов в качестве компонентов телекоммуникационного оборудования.

Исследователи разрабатывали флуоресцентные молекулы, испускающие фотоны света в 1000 раз быстрее по сравнению со стандартной скоростью. Данный рекорд скорости – это важный шаг на пути производства сверхскоростных светодиодов и оборудования квантовой криптографии.

В светодиодах атомы за короткое мгновение могут излучить порядка 10 млн. фотонов. Однако, для современного телекоммуникационного оборудования такой скорости недостаточно. Для практического использования новых разработок учёные должны значительно повысить скорость (интенсивность) излучения в новых материалах. Интенсивность излучения флуоресцентных молекул достигла рекордных показателей после их размещения между металлическими нанокубами и золотой плёнкой.

Учёные провели эксперимент, создав 75-нм серебряные нанокубы и разместив между ними источник света. Интенсивность излучения значительно повысилась. Когда флуоресцентные молекулы расположены вблизи мощного источника света, они начинают излучать фотоны с большей интенсивностью за счёт так называемого Пёрселл-фактора. Исследователи обнаружили, что могут достичь заметного повышения интенсивности излучения, если разместить флуоресцентные молекулы в зазор между нанокубами и тонкой золотой плёнокой.

Для достижения большего эффекта учёным необходимо было определить резонансную частоту в зазоре для соответствия длине волны света, вызывающей излучение молекул. Компьютерное моделирование позволило определить точный размер зазора, необходимого для оптимизации конструкции. Толщина рассчитанного слоя оказалась равной лишь 20 атомам, однако это не озадачило учёных.

По мнению исследователя Глеба Аксельрода, существует возможность выбора нанокубов любого размера и создания зазоров с нанометровой точностью. После точной калибровки размеров кубов и зазора, достигается 1000-кратное увеличение интенсивности излучения.

В эксперименте использовалось множество молекул со случайным расположением, поэтому учёные полагают, что смогут достичь ещё больших скоростей. В планах исследователей разработка системы, в которой для одного нанокуба задействована одна флуоресцентная молекула. По мнению Аксельрода, интенсивность может быть повышена, если расположить молекулы вблизи вершин нанокуба. И если такая схема работы будет достигнута, то она может применяться не только в сверхбыстрых светодиодах. Быстрые источники одиночных фотонов могут использоваться в квантовой криптографии. Такая технология могла бы пригодиться для защиты протяженных каналов связи без риска взлома.