Polariton LED: Polaritonics ra đời

Polariton là một thực thể giống như hạt mà có thể được mô tả bằng việc ánh sáng tương tác với chất bán dẫn và các vật liệu khác. Polariton cũng là một hỗn hợp của hai hợp phần: một cặp điện tử - lỗ trống (gọi là exciton ) và một photon phát ra khi xảy ra sự tái hợp điện tử - lỗ trống. Khi photon được phát ra, nó bị bẫy trong vật liệu và tạo ra các exciton và do đó chu trình này được lặp lại. Sự chuyển đổi năng lượng liên tục giữa photon và các exciton có thể được mô tả bằng các trạng thái polarition.

Và mới đây, Pavlos Savvidis cùng các cộng sự Đại học Crete (Heraklion, Hy Lạp) đã tạo ra các diode từ vật liệu bán dẫn GaAs mà phát ra ánh sáng trực tiếp từ các trạng thái polarition ở nhiệt độ 235 K (thấp hơn nhiệt độ phòng khoảng 60 K) và đây là linh kiện polarition dựa trên GaAs đầu tiên tiên hoạt động ở gần nhiệt độ phòng ( Nature 453 372 ).

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra PLED này bằng kỹ thuật epitaxy chùm phân tử để tạo các giếng lượng tử GaAs. Photon bị bẫy trong các hốc nhỏ (microcavity) được tạo ra giữa hai gương phản xạ cao (gương Bragg). Excition bị bẫy trong giếng lượng tử được đặt giữa hai đầu của hốc để tăng cường liên kết với các photon. Cuối cùng, các tiếp xúc kim loại được tạo ra ở đáy và đỉnh của linh kiện để tiêm dòng điện tử và lỗ trống vào trong.

Theo Savvidis, thành công của nhóm trong việc sử dụng các kỹ thuật chế tạo bán dẫn truyền thống để tạo ra PLED hoạt động ở gần nhiệt độ phòng tạo ra một hi vọng là các polarition có thể được sử dụng rộng rãi trong nhiều linh kiện.

Hình 2. Phổ điện-huỳnh quang của polarition LED ở các nhiệt độ khác nhau với dòng bơm 0,4 mA (Nature 453 372).

“ Các linh kiện polariton tương lai bao gồm laser polarition, LED, bộ khuếch đại, chuyển mạch và các bộ điều biến phân cực …” – Savvidis nói trên physicsworld.com. “ Một đặc tính lý thú riêng của laser polariton ánh sáng đơn sắc kết hợp được tạo ra bởi trạng thái thấp nhất đơn của hệ ở đáy của bẫy polariton ” – Savvidis bổ sung. Ở đây, trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein của các polarition được tạo ra mà không đòi hỏi quá trình đảo mật độ như trong các laser rắn truyền thống do đó ngưỡng phát laser được giảm xuống chỉ còn vài bậc của biên độ. “ Điều này khiến cho các laser có thể hứa hẹn trở thành các loại laser có ngưỡng phát siêu thấp hoặc với nguồn công suất cực nhỏ hay là tạo ra các nguồn sáng phi cổ điển ”.

Nói chung, linh kiện polariton sẽ có công suất tiêu tán thấp và siêu nhanh, Savvidis bổ sung. Chúng cũng có thể được lắp ghép song song vào trong các ma trận của hàng ngàn các linh kiện như thế và sẽ làm giảm một cách đáng kể giá cả cho mỗi linh kiện. Theo nhóm nghiên cứu, không có một lý do cơ bản giải thích cho việc tại sao linh kiện không hoạt động được ở các nhiệt độ thậm chí gần nhiệt độ phòng hơn và mục tiêu tiếp theo của họ là đạt được các linh kiện như thế. Và theo Benoît Deveaud-Plédran (Ecole Polytechnique Fédérale de Laussane, Thụy Sĩ) thì PLED mới này là một bước tiến quan trọng tiến đến việc tạo ra một thế hệ linh kiện polariton điều khiển bằng dòng điện ở nhiệt độ phòng. Có thể xem chi tiết các kết quả này trên Nature 453 372 .