Kalifornian yliopiston Santa Barbaran kampuksen tutkijat ovat kehittäneet tekniikan, jonka avulla voidaan paitsi kerätä fotoneita, myös ohjata niitä haluttuun suuntaan. Innovaation uskotaan mahdollistavan nykyistä paljon tehokkaampien ja monipuolisempien ledisovellusten kehittämisen.
Tutkimusta on tehty professori Jonathan Schullerin johdolla ja tiimin löydökset on kuvattu Nature Photonics -lehdessä. Schullerin mukaan kyse on uudenlaisesta fotoniikka-arkkitehtuuri, jossa parantunut suorituskyky saavutetaan ilman ulkoisia kotelointikomponentteja, joita usein käytetään manipuloimaan ledien lähettämää valoa.
Ledien valo syntyy puolijohdemateriaalissa, kun negatiivisesti varautuneet elektronit kohtaavat puolijohteen kidehilan läpi kulkiessaan positiivisesti varautuneita reikiä (elektronien puuttuessa) ja siirtyessä alempaan energiatilaan vapauttaen fotonin matkan varrella. Mittaustensa aikana tutkijat havaitsivat, että merkittävää määrä syntyneistä fotoneista ei päässyt ulos ledistä.
Schullerin mukaan emittoidut fotonit pyrkivät suuntaan, jossa ne jäävät loukkuun ledin rakenteessa. Perinteisellä metamateriaaliratkaisuilla nämä fotonit voitaisiin vapauttaa ledin hyötykäyttöön.
Tutkijat työstivät rakenteen, joka koostuu ryhmästä 1,45 mikrometrin pituisia GaN- eli galliumnitridinanosauvoja. Indiumgalliumnitridiin (InGaN) perustuvat kvanttikaivot upotetaan nanosauvaan rajoittamaan elektroneja ja reikiä ja siten emittoimaan valoa. Sen lisäksi, että tämä lisää puolijohderakenteesta emittoituvan valon määrää, rakenne polarisoi valon.
Metameriaali on Schullerin mukaan periaatteessa aliaallonpituuksista koostuva antennimatriisi. Sen avulla ledien tyypillinen spontaani fotonien emittoiminen voidaan hallita ja suunnata. Tutkimuksen toinen kirjoittaja Prasad Iyerin mukaan ledejä on pyritty kuvioimaan jo kauan, mutta nämä pyrkimykset jakavat poikkeuksetta useisiin suuntiin pienellä hyötysuhteella. - Kukaan ei ollut suunnitellut tapaa ohjata ledin säteilyä yhteen suuntaan, Iyer sanoo.
Santa Barbaran nanotekniikan tutkimuslaitoksen asiantuntemuksen avulla tutkijat suunnittelivat ja kuvasivat puolijohdepinnan mukauttaakseen metamateriaalirakenteen spontaaniin valon säteilyyn.
