Hjem på den mindst mulige laser

Ved ekstremt lave temperaturer, stof opfører sig ofte anderledes end under normale forhold. Ved temperaturer kun et par grader over det absolutte nulpunkt (-273 grader Celsius), fysiske partikler kan opgive deres uafhængighed og for en kort tid smelte sammen til et enkelt objekt, hvor alle partikler deler de samme egenskaber. Sådanne strukturer er kendt som Bose-Einstein-kondensater, og de repræsenterer en særlig aggregeret tilstand af stof.

Et internationalt team af forskere ledet af fysikerne Dr. Carlos Anton-Solanas og professor Christian Schneider fra Universitetet i Oldenburg er nu for første gang lykkedes med at generere denne usædvanlige kvantetilstand i ladningsbærerkomplekser, der er tæt forbundet med lyspartikler og placeret i ultratynde halvlederplader bestående af et enkelt lag atomer. Som holdet rapporterer i det videnskabelige tidsskrift Naturmaterialer , denne proces producerer lys svarende til det, der genereres af en laser. Dette betyder, at fænomenet kunne bruges til at skabe de mindst mulige solid-state lasere.

Arbejdet er resultatet af et samarbejde mellem Oldenburg-forskerne og forskningsgrupperne af professor Sven Höfling og professor Sebastian Klembt fra universitetet i Würzburg (Tyskland), Professor Sefaattin Tongay fra Arizona State University (U.S.), Professor Alexey Kavokin fra Westlake University (Kina), og professor Takashi Taniguchi og professor Kenji Watanabe fra National Institute of Materials Science i Tsukuba (Japan).

Undersøgelsen fokuserer på kvasipartikler, der består af både stof og lys, kendt som exciton-polaritoner - produktet af stærke koblinger mellem exciterede elektroner i faste stoffer og lette partikler (fotoner). De dannes, når elektroner stimuleres af laserlys til en højere energitilstand. Efter kort tid i størrelsesordenen en trilliontedel af et sekund, elektronerne vender tilbage til deres grundtilstand ved at genudsende lyspartikler.

Når disse partikler er fanget mellem to spejle, de kan igen ophidse nye elektroner - en cyklus, der gentages, indtil lyspartiklen slipper fælden. De let-stof-hybridpartikler, der skabes i denne proces, kaldes exciton-polaritoner. De kombinerer interessante egenskaber ved elektroner og fotoner og opfører sig på samme måde som visse fysiske partikler kaldet bosoner. "Enheder, der kan styre disse nye lysstoftilstande, har løftet om et teknologisk spring i sammenligning med nuværende elektroniske kredsløb, " sagde hovedforfatter Anton-Solanas, en postdoktor i Quantum Materials Group ved University of Oldenburgs Institut for Fysik. Sådanne optoelektroniske kredsløb, som fungerer ved hjælp af lys i stedet for elektrisk strøm, kunne være bedre og hurtigere til at behandle information end nutidens processorer.

I den nye undersøgelse, holdet ledet af Anton-Solanas og Schneider kiggede på exciton-polaritoner i ultratynde krystaller bestående af et enkelt lag atomer. Disse todimensionale krystaller har ofte usædvanlige fysiske egenskaber. For eksempel, det halvledermateriale, der anvendes her, molybdæn diselenid, er meget reaktiv over for lys.

Forskerne konstruerede plader af molybdændiselenid mindre end en nanometer (en milliardtedel af en meter) tykke og lagde den todimensionelle krystal ind mellem to lag af andre materialer, der reflekterer lyspartikler ligesom spejle gør. "Denne struktur fungerer som et bur for lys, " forklarede Anton-Solanas. Fysikere kalder det et "mikrokavitet."

Anton-Solanas og hans kolleger afkølede deres opsætning til et par grader over det absolutte nulpunkt og stimulerede dannelsen af ​​exciton-polaritoner ved hjælp af korte pulser af laserlys. Over en vis intensitet observerede de en pludselig stigning i lysemissionerne fra deres prøve. Det her, sammen med andre beviser, tillod dem at konkludere, at det var lykkedes dem at skabe et Bose-Einstein-kondensat ud fra exciton-polaritoner.

"I teorien, dette fænomen kunne bruges til at konstruere sammenhængende lyskilder baseret på kun et enkelt lag af atomer, " sagde Anton-Solanas. "Dette ville betyde, at vi havde skabt den mindst mulige faststoflaser." Forskerne er sikre på, at effekten med andre materialer også kunne frembringes ved stuetemperatur, så det på længere sigt også vil være velegnet til praktiske anvendelser. Holdets første eksperimenter på vej i denne retning har allerede været vellykkede.