В своем последнем направлении исследований Цунь-Чжэн Нин, профессор электротехники Инженерной школы Иры А. Фултона в Университете штата Аризона, и его коллеги исследовали сложный баланс физики, который управляет тем, как электроны, дырки, экситоны и трионы сосуществуют и взаимно преобразуются друг в друга, создавая оптическое усиление. Их результаты, под руководством адъюнкт-профессора Университета Цинхуа Хао Суня, были недавно опубликованы в публикации Nature Light: Science & Applications.
«Изучая фундаментальные оптические процессы того, как трион может излучать фотон [частицу света] или поглощать фотон, мы обнаружили, что оптическое усиление может существовать, когда у нас достаточно трионов», - говорит Нин.«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 на уровнях плотности от четырех до пяти порядков - в 10 000-100 000 раз - меньше, чем в обычных полупроводниках, питающих оптоэлектронные устройства, такие как сканеры штрих-кодов и лазеры. в телекоммуникационных инструментах.
Нинг был вынужден сделать такое открытие из-за его интереса 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 превращается из изолятора в проводник и впервые появляется оптическое усиление).
Но электрическая мощность, необходимая для достижения перехода Мотта и плотности, намного больше, чем требуется для будущих эффективных вычислений. Нин говорит, что без новых маломощных нанолазеров, подобных тем, которые он исследует, для работы одного суперкомпьютера потребовалась бы небольшая электростанция.
«Если оптическое усиление может быть достигнуто с экситонными комплексами ниже перехода Мотта, при низких уровнях входной мощности, в будущем можно будет создавать усилители и лазеры, которые потребуют небольшой мощности возбуждения», - говорит Нин.
Эта разработка может изменить правила игры для энергоэффективной фотоники или устройств на основе света и предоставить альтернативу обычным полупроводникам, которые ограничены в своей способности создавать и поддерживать достаточное количество экситонов.
Как Нин наблюдал в предыдущих экспериментах с 2D-материалами, можно достичь оптического усиления раньше, чем считалось ранее. Теперь он и его команда обнаружили механизм, который может заставить его работать.
«Из-за тонкости материалов электроны и дырки притягиваются друг к другу в сотни раз сильнее, чем в обычных полупроводниках», - говорит Нин. «Такое сильное взаимодействие зарядов делает экситоны и трионы очень стабильными даже при комнатных температурах».
Это означает, что исследовательская группа может изучить баланс электронов, дырок, экситонов и трионов, а также контролировать их преобразование для достижения оптического усиления при очень низких уровнях плотности.
«Когда в трионном состоянии находится больше электронов, чем их исходное электронное состояние, возникает состояние, называемое инверсией населенностей», - говорит Нин. «Можно излучать больше фотонов, чем поглощать, что приводит к процессу, называемому вынужденным излучением и оптическим усилением или усилением».
РАЗГАДКА ЗАГАДОК НАНОЛАЗЕРА, ОДИН ШАГ ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ НАУКИ ЗА РАЗ
Хотя это новое открытие добавило кусочек к загадке перехода Мотта - оно раскрыло новый механизм, который исследователи могут использовать для создания маломощных 2D полупроводниковых нанолазеров - Нин говорит, что они еще не уверены, является ли это тем же самым механизмом что привело к производству нанолазеров 2017 года.
Работа по разгадке оставшихся загадок все еще продолжается.
Подобные эксперименты с трионами проводились в 1990-х годах с обычными полупроводниками, говорит Нин, «но экситоны и трионы были настолько нестабильны, что как экспериментальное наблюдение, так и, особенно, использование этого механизма оптического усиления для реальных устройств чрезвычайно затруднены."
"Поскольку экситоны и трионы гораздо более стабильны в двумерных материалах, есть новые возможности для создания реальных устройств на основе этих наблюдений."
Эта интересная разработка Нина и его исследовательской группы находится только на уровне фундаментальной науки. Однако фундаментальные исследования могут привести к интересным вещам.
Фундаментальная наука является всемирной инициативой, и все выиграют, если будут задействованы 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., - говорит Нин.
Его команде предстоит еще много работы, чтобы изучить, как этот новый механизм оптического усиления работает при разных температурах, и как его использовать для целенаправленного создания нанолазеров.
«Следующим шагом является разработка лазеров, которые могут работать специально с использованием новых механизмов оптического усиления», - говорит Нин.
Заложив физические основы, их можно будет в конечном итоге применить для создания новых нанолазеров, которые могут изменить будущее суперкомпьютеров и центров обработки данных.
«Долгосрочная мечта состоит в том, чтобы объединить лазеры и электронные устройства в единую интегрированную платформу, чтобы сделать суперкомпьютер или центр обработки данных на чипе», - говорит Нин. «Для таких будущих приложений наши нынешние полупроводниковые лазеры все еще слишком велики, чтобы их можно было интегрировать с электронными устройствами».