Экситонные «ступеньки»

Ученые Санкт-Петербургского государственного университета предложили охлаждать полупроводники — материалы, широко используемые в электронике,— с помощью особого типа люминесценции, при котором вещество тратит тепло колебаний собственных атомов на свечение. Этот подход позволит избежать установки габаритных охлаждающих систем для процессоров, лазерных диодов и квантовых сенсоров. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Physical Review B.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Нагрев — одна из ключевых проблем современной электроники, лазеров, чипов и оптических датчиков, поскольку он ограничивает эффективность, срок службы и энергопотребление устройств. Традиционные кулеры и вентиляторы, охлаждающие приборы, не только занимают довольно большое пространство, но и создают вибрации, что делает их непригодными в высокоточных оптических системах. Поэтому ученые ищут новые методы охлаждения материалов.

Один из перспективных подходов основан на эффекте антистоксовой фотолюминесценции — явлении, при котором испускаемый фотон (частица света) обладает большей частотой, чем фотон возбуждающего излучения. Разница компенсируется за счет колебаний кристаллической решетки. При определенных условиях этот процесс позволяет отводить из материала тепло и тем самым охлаждать его. Однако для целенаправленного проектирования наноструктур, способных к такому охлаждению, важно понимать, между какими именно состояниями происходит переход и какую роль в нем играют колебания кристаллической решетки.

Исследователи Санкт-Петербургского университета синтезировали образец-«сэндвич», состоящий из трех слоев. Центральное место в нем занимает пленка арсенида галлия (соединения галлия и мышьяка) шириной всего 14 нанометров — примерно в 5000 раз меньше толщины волоса. Сверху и снизу находятся слои из галлия, мышьяка и алюминия.

Такую структуру можно рассматривать как квантовую яму: для электронов (отрицательно заряженных квазичастиц) и дырок (положительно заряженных квазичастиц) центральный слой оказывается своеобразной «ловушкой», в которой их движение в одном направлении ограничено нанометровой толщиной материала.

«Нанометровое ограничение движения электронов и дырок изменяет их энергетические состояния и позволяет сформировать хорошо различимые экситонные резонансы. Экситон — это связанное состояние электрона и дырки, которое играет ключевую роль во взаимодействии материала со светом. В нашей структуре особенно важны два типа экситонов — с тяжелой и легкой дыркой. Из-за различий в свойствах их экситонные состояния имеют разные энергии, что можно эффективно использовать в работе»,— объяснил инженер-исследователь кафедры фотоники СПбГУ Роман Назаров.

При сверхнизких температурах — порядка –269°C — ученые воздействовали на материал лазерным лучом, который возбудил только экситоны с тяжелой дыркой. При этом исследователи зарегистрировали ответное свечение экситонов с легкими дырками, которые требуют для появления больше энергии. Наблюдения показали: чтобы получить недостающую энергию для излучения, материал тратит тепло колебаний собственных атомов, тем самым охлаждаясь.

«Образно говоря, структура создает для экситона несколько близко расположенных “ступенек” энергии. Возбуждающий свет помещает систему на нижнюю ступеньку, а тепловые колебания кристаллической решетки помогают ей подняться на более высокую. После этого система испускает более энергичный фотон, который уносит полученную от кристаллической решетки энергию»,— рассказал Роман Назаров.

Авторы подчеркивают: хотя работа носит фундаментальный характер и выполнена при низких температурах, полученные результаты закладывают физическую основу для будущих технологий, в которых избыток тепла можно будет отводить с помощью света, без использования громоздких охлаждающих систем. В перспективе понимание подобных механизмов может оказаться востребованным при создании компактных лазеров, фотонных чипов, чувствительных оптических датчиков и других устройств, для которых критически важны эффективный отвод тепла и низкое энергопотребление.

Андрей Березкин, СПбГУ