Написано AZoNano [194590082020

В своем последнем исследовании Ира А. Фултон, инженерный факультет Университета штата Аризона, и его коллеги исследовали сложный физический баланс, который определяет, как электроны, дырки, экситоны и трионы сосуществуют и взаимно преобразуются в каждом из них. другой для получения оптического усиления. Их результаты под руководством доцента университета Цинхуа Хао Сунь недавно были опубликованы в публикации Nature Light: Science & Applications .

«Изучая фундаментальные оптические процессы того, как трион может испускать фотон [a particle of light] или поглощать фотон, мы обнаружили, что оптическое усиление может существовать, когда у нас достаточно заселенности трионов», Нин говорит . «Кроме того, пороговое значение для существования такого оптического усиления может быть сколь угодно малым, ограниченным только нашей измерительной системой».

В эксперименте Нина команда измерила оптическое усиление при уровнях плотности от четырех до пяти порядков – от 10000 до 100000 раз – меньше, чем в обычных полупроводниках, которые питают оптоэлектронные устройства, такие как сканеры штрих-кода и лазеры, используемые в телекоммуникационных инструментах.

Нин был вынужден сделать такое открытие благодаря своему интересу к явлению, называемому переходом Мотта, неразрешенной загадке в физике о том, как экситоны образуют трионы и проводят электричество в полупроводниковых материалах до такой степени, что они достигают плотности Мотта ( точка, в которой полупроводник изменяется от изолятора к проводнику, и сначала возникает оптическое усиление).

Но электрическая мощность, необходимая для достижения перехода Мотта и плотности, намного больше, чем желательно для будущего эффективных вычислений. Нинг говорит, что без новых возможностей нанолазера с низким энергопотреблением, подобных тем, которые он исследует, потребовалась бы небольшая электростанция для работы одного суперкомпьютера.

«Если оптическое усиление может быть достигнуто с помощью экситонных комплексов ниже перехода Мотта, при низких уровнях потребляемой мощности могут быть созданы будущие усилители и лазеры, которые потребуют небольшую мощность возбуждения», Нин говорит.

Эта разработка может изменить игру для энергоэффективной фотоники или устройств на основе света и обеспечить альтернативу обычным полупроводникам, которые ограничены в своей способности создавать и поддерживать достаточно экситонов.

Как наблюдал Нин в предыдущих экспериментах с 2D-материалами, можно достичь оптического усиления раньше, чем считалось ранее. Теперь он и его команда раскрыли механизм, который мог бы заставить его работать.

«Из-за тонкости материалов электроны и дырки притягиваются друг к другу в сотни раз сильнее, чем в обычных полупроводниках», – говорит Нин. «Такие сильные зарядовые взаимодействия делают экситоны и трионы очень стабильными даже при комнатной температуре».

Это означает, что исследовательская группа может исследовать баланс электронов, дырок, экситонов и трионов, а также контролировать их преобразование для достижения оптического усиления при очень низких уровнях плотности.

«Когда в состоянии триона больше электронов, чем в исходном электронном состоянии, возникает условие, называемое инверсией населенности», – говорит Нин. «Может испускаться больше фотонов, чем поглощаться, что приводит к процессу, называемому стимулированным излучением и оптическим усилением или усилением».

Раскрытие тайн нанолазера, один шаг фундаментальной науки за один раз

Хотя это новое открытие добавило часть головоломки перехода Мотта – оно раскрыло новый механизм, который исследователи могут использовать для создания маломощных двумерных полупроводниковых нанолазеров – Нинг говорит, что они еще не уверены, что это тот же механизм это привело к производству их нанолазеров 2017 года.

Работа над разгадкой оставшихся загадок все еще продолжается.

Подобные эксперименты с трионами проводились в 1990-х годах на обычных полупроводниках, говорит Нин, «но экситоны и трионы были настолько нестабильны, что экспериментальные наблюдения и, особенно, использование этого механизма оптического усиления для реальных устройств чрезвычайно трудны . "

«Поскольку экситоны и трионы гораздо более устойчивы в 2D материалах, появляются новые возможности для создания реальных устройств из этих наблюдений».

Это интересное событие, разработанное Нингом и его исследовательской группой, только на фундаментальном научном уровне. Тем не менее, фундаментальные исследования могут привести к захватывающим вещам.

«Фундаментальная наука – это всемирная деятельность, и каждый может выиграть, если в ней могут участвовать лучшие люди со всего мира. ASU предоставил открытую и свободную среду, особенно для международного сотрудничества с ведущими исследовательскими группами в Китае, Германии, Японии и во всем мире ", Нин говорит.

У его команды осталось больше работы, чтобы изучить, как этот новый механизм оптического усиления работает при различных температурах – и как использовать его для целенаправленного создания нанолазеров.

«Следующим шагом является разработка лазеров, которые могут работать специально с использованием новых механизмов оптического усиления», – говорит Нин.

Создав физические основы, они в конечном итоге могли быть применены для создания новых нанолазеров, которые могли бы изменить будущее суперкомпьютеров и центров обработки данных.

«Долгосрочная мечта – объединить лазеры и электронные устройства в единую интегрированную платформу, чтобы включить суперкомпьютер или центр обработки данных на чипе», – говорит Нин. «Для таких будущих применений наши современные полупроводниковые лазеры все еще слишком велики, чтобы их можно было интегрировать с электронными устройствами».

Источник: https://www.asu.edu/