Kaster nyt lys på nanolasere ved hjælp af 2-D halvledere

I sin seneste forskningslinje, Cun-Zheng Ning, en professor i elektroteknik ved Ira A. Fulton Schools of Engineering ved Arizona State University, og hans jævnaldrende udforskede den indviklede balance mellem fysik, der styrer, hvordan elektroner, huller, excitoner og trioner sameksisterer og konverterer gensidigt til hinanden for at producere optisk forstærkning. Deres resultater, ledet af Tsinghua University lektor Hao Sun, blev for nylig offentliggjort i Natur offentliggørelse Lys:Videnskab og applikationer .

"Mens man studerer de grundlæggende optiske processer for, hvordan en trion kan udsende en foton [en partikel af lys] eller absorbere en foton, vi opdagede, at optisk forstærkning kan eksistere, når vi har tilstrækkelig trionpopulation, " siger Ning. "Yderligere, tærskelværdien for eksistensen af ​​en sådan optisk forstærkning kan være vilkårligt lille, kun begrænset af vores målesystem. "

I Nings eksperiment, holdet målte optisk forstærkning ved tæthedsniveauer fire til fem størrelsesordener—10, 000 til 100, 000 gange - mindre end dem i konventionelle halvledere, der driver optoelektroniske enheder, som stregkodescannere og lasere, der bruges i telekommunikationsværktøjer.

Ning er blevet drevet til at gøre en sådan opdagelse af sin interesse for et fænomen kaldet Mott-overgangen, et uløst mysterium i fysik om, hvordan excitoner danner trioner og leder elektricitet i halvledermaterialer til det punkt, at de når Mott-densiteten (det punkt, hvor en halvleder skifter fra en isolator til en leder, og optisk forstærkning først opstår).

Men den elektriske strøm, der er nødvendig for at opnå Mott-overgang og tæthed, er langt mere, end hvad der er ønskeligt for fremtiden for effektiv databehandling. Uden nye laveffekts nanolaserfunktioner som dem, han forsker i, Ning siger, at det ville tage et lille kraftværk at betjene en supercomputer.

"Hvis optisk forstærkning kan opnås med excitoniske komplekser under Mott-overgangen, ved lave niveauer af strømtilførsel, fremtidige forstærkere og lasere kunne fremstilles, der ville kræve en lille mængde drivkraft, " siger Ning.

Denne udvikling kan være spilændrende for energieffektive fotonik, eller lysbaserede enheder og give et alternativ til konventionelle halvledere, som er begrænset i deres evne til at skabe og vedligeholde nok excitoner.

Som Ning observerede i tidligere eksperimenter med 2-D materialer, det er muligt at opnå optisk forstærkning tidligere end tidligere antaget. Nu har han og hans team afsløret en mekanisme, der kunne få det til at fungere.

"På grund af materialernes tynde, elektroner og huller tiltrækker hinanden hundredvis af gange stærkere end i konventionelle halvledere, "Sådan stærke ladningsinteraktioner gør excitoner og trioner meget stabile selv ved stuetemperaturer."

Det betyder, at forskerholdet kunne udforske elektronernes balance, huller, excitoner og trioner samt kontrollere deres konvertering for at opnå optisk forstærkning ved meget lave tæthedsniveauer.

"Når flere elektroner er i triontilstanden end deres oprindelige elektrontilstand, en tilstand kaldet populationsinversion opstår, "Ning siger." Der kan udsendes flere fotoner end absorberes, fører til en proces kaldet stimuleret emission og optisk forstærkning eller forstærkning. "

Løsning af nanolaser mysterier, et trin i den grundlæggende videnskab ad gangen

Mens denne nye opdagelse tilføjede en brik til Mott-overgangspuslespillet – den afslørede en ny mekanisme, som forskere kan udnytte til at skabe laveffekt 2-D halvleder nanolasere – siger Ning, at de endnu ikke er sikre på, om dette er den samme mekanisme, der førte til produktionen af ​​deres 2017 nanolasere.

Der arbejdes stadig på at løse de resterende mysterier.

Lignende trioneksperimenter blev udført i 1990'erne med konventionelle halvledere, Ning siger, "men excitonerne og trionerne var så ustabile, både eksperimentel observation og, især, Det er ekstremt vanskeligt at bruge denne optiske forstærkningsmekanisme 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 disse observationer."

Denne interessante udvikling af Ning og hans forskerhold er kun på det grundlæggende videnskabelige niveau. Imidlertid, grundforskning kan føre til spændende ting.

"Grundvidenskab er en verdensomspændende bestræbelse, og alle drager fordel af, at de bedste mennesker fra alle steder kan være involveret. ASU har sørget for et åbent og frit miljø, især for internationale samarbejder med topforskergrupper i Kina, Tyskland, Japan og verden over, " siger Ning.

Hans team har mere arbejde tilbage at gøre for at studere, hvordan denne nye mekanisme for optisk forstærkning virker ved forskellige temperaturer - og hvordan man bruger den til at skabe nanolaserne målrettet.

"Det næste skridt er at designe lasere, der kan fungere specifikt ved hjælp af de nye mekanismer for optisk forstærkning, " siger Ning.

Med det fysiske fundament lagt, de kunne i sidste ende anvendes til at oprette nye nanolasere, der kunne ændre fremtiden for supercomputing og datacentre.

"Den langsigtede drøm er at kombinere lasere og elektroniske enheder i en enkelt integreret platform, at aktivere en supercomputer eller datacenter på en chip, " siger Ning. "For sådanne fremtidige applikationer, vores nuværende halvlederlasere er stadig for store til at blive integreret med elektroniske enheder."