Ny mekanisme for optisk forstærkning i todimensionelt materiale kræver kun ekstremt lav indgangseffekt

Optisk forstærkning er en forudsætning for signalforstærkning i en optisk forstærker eller laser. Det kræver typisk høje niveauer af strømindsprøjtning i konventionelle halvledere. Ved at udforske en indviklet balance og omdannelse af excitoner og trioner i atomisk tynde todimensionelle materialer, forfatterne fandt en ny forstærkningsmekanisme, der kræver inputeffekt flere størrelsesordener lavere end i konventionelle halvledere. Denne nye forstærkningsmekanisme kunne potentielt gøre det muligt at fremstille lasere med ekstremt lav indgangseffekt.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og applikationer , forskere fra Tsinghua University og Arizona State University rapporterer deres resultater om at studere excitonernes fundamentale fysik, trioner, og relaterede komplekser. Excitoner er kvasipartikler dannet af en elektron og et tomrum kaldet hul, der efterlades, når en elektron exciteres i en halvleder. En sådan exciton kan oplades, at danne en såkaldt trion, når den yderligere binder med en anden elektron eller et hul. Holdet opdagede en interessant proces, der giver optisk forstærkning, en forudsætning for signalforstærkning eller lasering i en halvleder, ved at udforske den indviklede balance og omdannelse af excitoner, elektroner, huller, og trioner. Interessant nok er det nødvendige niveau af inputeffekt for at realisere en sådan optisk forstærkning ekstremt lavt:4 til 5 størrelsesordener lavere end i en konventionel halvleder som GaAs eller InP, som er arbejdshestens materialer til optoelektroniske enheder i øjeblikket.

Fordelingen af ​​disse exciton-relaterede komplekser og deres dynamiske gensidige omdannelse er kernen i faststoffysikken i mange årtier. Der er stadig uløste spørgsmål om, hvordan disse excitoner danner mere komplekse partikler og til sidst omdannes til en ioniseret ledende fase af ladede partikler, efterhånden som vi introducerer flere og flere af dem i en halvleder. Denne proces kaldes Mott-overgangen, efter Sir Nevill Francis Mott, den berømte britiske nobelvindende fysiker. Konventionel teori for forekomsten af ​​optisk forstærkning siger, at frie excitoner ikke kan producere optisk forstærkning før Mott-overgangen i en halvleder med frit bevægelige ladninger. Optisk forstærkning opstår efter elektrondensiteten overstiger den såkaldte Mott-densitet, typisk et meget højt tæthedsniveau i størrelsesordenen billioner af partikler pr. kvadratcentimeter. En sådan ekstrem høj tæthed kræver et højt niveau af injektion af elektrisk strøm, eller elektrisk strøm. De fleste af vores nuværende halvlederlasere, der driver vores internet, datacentre, og mange andre applikationer er baseret på sådanne halvledere.

Udforskning af forholdet mellem forekomst af optisk forstærkning og Mott-overgang, især at søge efter nye mekanismer for optisk forstærkning ved lave tætheder før Mott-overgangen er således ikke kun et spørgsmål af fundamental betydning i faststoffysik, det er også vigtigt i enhedsapplikationer i fotonik. Hvis optisk forstærkning kan opnås med excitoniske komplekser under Mott-overgangen ved lave niveauer af effektinput, fremtidige forstærkere og lasere kunne laves, der ville kræve en lille mængde drivkraft. Dette er åbenlyst af stor aktuel interesse for energieffektive fotoniske enheder eller grøn fotonik. Men desværre, sådanne spørgsmål kunne ikke udforskes fuldstændigt og systematisk i en konventionel halvleder, fordi excitoner i sig selv ikke er særlig stabile, og chancen for at forfølge højere excitoniske komplekser er begrænset.

Den nylige fremkomst af atomisk tynde lagdelte materialer gjorde en sådan undersøgelse mulig og mere meningsfuld. Disse materialer omfatter kun nogle få lag af atomer. På grund af materialernes tynde, elektroner og huller tiltrækker hinanden hundredvis af gange stærkere end i konventionelle halvledere. Sådanne stærke ladningsinteraktioner gør excitoner og trioner meget stabile selv ved stuetemperatur. Dette var grunden til, at forfatterne kunne udforske en så indviklet balance og omhyggeligt kontrollere deres gensidige konvertering for at opnå optisk forstærkning. Ved at skabe excitoner gennem optisk pumpning med en laser, excitoner danner trioner med en del af elektroner, hvis antal styres af en portspænding. Når flere elektroner er i triontilstand end elektrontilstand, en tilstand kaldet populationsinversion opstår. Der kan udsendes flere fotoner end absorberet, fører til en proces kaldet stimuleret emission og optisk forstærkning eller forstærkning.

"En anden motivation for denne undersøgelse var den tilsyneladende modsætning mellem et par højprofilerede eksperimenter i feltet i de senere år. Der har været et par eksperimenter, der rapporterede laserdemonstrationer ved brug af 2-D materialer som forstærkningsmedier. Der krævede lasere meget lavt pumpeniveau, når excitoner er den dominerende lysemissionsmekanisme. Men det eneste eksisterende eksperiment, der beviste eksistensen af ​​optisk forstærkning i sådanne materialer, kræver meget højere niveau af pumpning, " sagde Ning, som leder forskergruppen. Ning bemærkede, at tæthederne i lasereksperimenterne er mindre end Mott-densiteten med 3 til 5 størrelsesordener, mens optisk forstærkning først blev observeret efter Mott-overgangen. Da laserdrift kræver eksistensen af ​​optisk forstærkning, Ning spurgte, "Hvor kommer optisk gevinst fra i disse lasereksperimenter?" Eller "Hvad er mekanismerne for optisk forstærkning ved et så lavere niveau af optisk pumpning? Eller mere generelt, "Er der nogen mulige nye gevinstmekanismer før Mott-overgangen?" Disse spørgsmål førte til deres eksperimentelle undersøgelse, der startede for flere år siden.

"Vi har systematisk forfulgt dette spørgsmål eksperimentelt i 2-3 år. Vi kastede en lysstråle af et bredt spektrum af 2-D molybdæn ditellurid og ser nøje efter, om det reflekterede signal er større eller mindre end den indfaldende stråle for at se efter tegn af lysforstærkning, " sagde Hao Sun, som er hovedforfatter af dette papir med ansvar for optisk måling.

"At være sikker, et lignende trionforstærkningseksperiment blev udført i 1990'erne med konventionelle halvledere, " bemærkede Ning. "Men excitonerne og trionerne var så ustabile, både eksperimentel observation og, især, Det er ekstremt vanskeligt at bruge denne optiske forstærkning til rigtige enheder." "Da excitonerne og trionerne er meget mere stabile i 2D-materialerne, der er nye muligheder for at lave enheder i den virkelige verden ud af denne observation, " påpegede Ning. "For øjeblikket, dette resultat tilhører grundlæggende fysikforskning, men hvad angår alle de vigtige observationer i halvledere, de kunne i sidste ende bruges til at lave rigtige lasere, " kommenterede Ning.