Новое исследование демонстрирует революционный подход к повышению эффективности электронных устройств. Учёные обнаружили, что придание свету спиральной структуры, аналогичной природным узорам, позволяет кардинально улучшить характеристики OLED-экранов, технологий ночного видения и перспективных вычислительных систем.
Разработчики метода уверены, что управление светом на субволновом уровне открывает путь к созданию нового поколения энергоэффективной электроники. С момента изобретения лампы накаливания наука о свете не стояла на месте, а сегодня, в эпоху повсеместной цифровизации, поиск инновационных способов контроля над световыми волнами стал особенно актуальным для совершенствования дисплеев и оптических устройств.
Эволюция управления светом: от остановки до скручивания
Современные исследования в области фотоники поражают разнообразием: от захвата света магнитами и метаматериалами в Городском университете Нью-Йорка до экспериментов по его остановке с помощью фотонных кристаллов в Нидерландах. Недавние достижения включают создание «сверхтвёрдого» состояния лазерного излучения и сжатие инфракрасного света на 90%, что привело к появлению принципиально новых оптических материалов. Общей целью этих изысканий остаётся улучшение электроники — от повышения эффективности передачи данных с помощью метаматериалов до использования «световых ураганов». Последняя работа учёных из Кембриджа и Технологического университета Эйндховена знаменует важный шаг в этом направлении, успешно реализовав идею искривления света в OLED-дисплеях.
Хиральность: копируя эффективность природы
Ключом к прорыву стало воспроизведение свойства хиральности — структурной асимметрии, при которой объект (как левая и правая рука) не совпадает со своим зеркальным отражением. Многие биологические молекулы обладают такой «закрученной» структурой, что определяет их высокую функциональную эффективность. Однако внедрение этого принципа в электронику долгое время оставалось сложной задачей. Исследовательская группа решила проблему, создав специализированный хиральный полупроводник на основе триазаарена (ТАТ). Этот материал обладает уникальной способностью к самоорганизации, формируя спиральные колонны, которые заставляют электроны двигаться по винтовой траектории.
«При возбуждении синим или ультрафиолетовым светом самоорганизующийся ТАТ излучает яркий зелёный свет с сильной круговой поляризацией, эффект, которого до сих пор было трудно достичь в полупроводниках», — поясняет соавтор работы Марко Преус из Технического университета Эйндховена. Такая структура обеспечивает эффективное движение зарядов, напрямую влияя на характеристики излучаемого света. В результате материал испускает циркулярно поляризованный свет, который несёт информацию о направлении вращения (спине) электрона. Это принципиально отличает его от традиционных симметричных полупроводников, таких как кремний, где электроны движутся без какого-либо предпочтительного направления.
Обратите внимание: Новое исследование может в конечном итоге подтвердить или отклонить теорию Большого взрыва.
Рекордные показатели модифицированных OLED
Чтобы проверить практическую ценность открытия, учёные модифицировали стандартный процесс производства OLED, интегрировав в него материал ТАТ для создания светодиодов с круговой поляризацией (CP-OLED). Получившиеся устройства продемонстрировали беспрецедентные уровни эффективности, яркости и степени поляризации света.
«Мы по сути переработали стандартный рецепт изготовления органических светодиодов (OLED), подобных тем, что используются в наших смартфонах, чтобы мы могли заключить хиральную структуру в стабильную некристаллическую матрицу», — рассказывает соавтор Ритупарно Чоудхури из Кавендишской лаборатории Кембриджа. — «Это открывает практический способ создания светодиодов с круговой поляризацией, чего мы долгое время не могли достичь».
Профессор Берт Мейер из Технического университета Эйндховена подчёркивает, что органические полупроводники, способные управлять поляризацией света, могут привести к значительному повышению энергоэффективности дисплеев для телевизоров, смартфонов и устройств ночного видения. Более того, хиральные полупроводники открывают новые горизонты для квантовых вычислений и спинтроники — технологии, использующей спин электронов для обработки информации.
«Это настоящий прорыв в области создания хиральных полупроводников», — заявил Мейер. — «Тщательно спроектировав молекулярную структуру, мы смогли связать хиральность структуры с движением электронов, чего никогда ранее не делали на этом уровне».
Будущее за гибкими органическими материалами
Подводя итоги, профессор Ричард Фройнд из Кембриджа, один из руководителей исследования, отметил удивительную эволюцию органических полупроводников. Некогда считавшиеся неперспективными, сегодня они лежат в основе индустрии стоимостью более 60 миллиардов долларов.
«В отличие от жестких неорганических полупроводников молекулярные материалы невероятно гибкие, что позволяет нам создавать совершенно новые структуры, такие как хиральные светодиоды», — объясняет Френд. — «Это как играть с Lego, но со всеми возможными формами, а не только с прямоугольными кирпичиками».
Исследователи полагают, что их открытие не только совершит революцию в производстве дисплеев, но и окажет существенное влияние на развитие квантовых компьютеров. Перспективы также видятся в спинтронике, где использование спина электронов для хранения и обработки данных может привести к созданию более быстрых и защищённых вычислительных систем следующего поколения.
Читайте все последние новости технологий на New-Science.ruБольше интересных статей здесь: Новости науки и техники.