Optisk förstärkning är en förutsättning för signalförstärkning i en optisk förstärkare eller laser. Det kräver vanligtvis höga nivåer av ströminjektion i konventionella halvledare. Genom att utforska en invecklad balans och omvandling av excitoner och trioner i atomtunna tvådimensionella material, författarna hittade en ny förstärkningsmekanism som kräver ingångseffekt flera storleksordningar lägre än i konventionella halvledare. Denna nya förstärkningsmekanism kan möjligen möjliggöra att lasrar tillverkas med extremt låg ineffekt.

I en ny artikel publicerad i Ljusvetenskap och applikationer , forskare från Tsinghua University och Arizona State University rapporterar sina resultat om att studera excitons grundläggande fysik, trioner, och relaterade komplex. Excitoner är kvasipartiklar som bildas av en elektron och ett tomrum som kallas hål kvar när en elektron exciteras i en halvledare. En sådan exciton kan debiteras, att bilda en så kallad trion när den vidare binder med en annan elektron eller ett hål. Teamet upptäckte en intressant process som ger optisk förstärkning, en förutsättning för signalförstärkning eller lasning i en halvledare, genom att utforska den invecklade balansen och konverteringen av excitoner, elektroner, hål, och trioner. Intressant nog är den erforderliga nivån för ingångseffekt för att realisera sådan optisk förstärkning extremt låg:4 till 5 storleksordningar lägre än i en konventionell halvledare som GaAs eller InP, som för närvarande är arbetshästmaterial för optoelektroniska enheter.

Fördelningen av dessa excitonrelaterade komplex och deras dynamiska ömsesidiga omvandling är kärnan i solid state-fysiken i många decennier. Det finns fortfarande olösta frågor om hur dessa excitoner bildar mer komplexa partiklar och så småningom omvandlas till en joniserad ledande fas av laddade partiklar när vi introducerar fler och fler av dem i en halvledare. Denna process kallas Mott -övergången, efter Sir Nevill Francis Mott, den berömda brittiska nobelvinnande fysikern. Konventionell teori om förekomsten av optisk förstärkning säger att fria excitoner inte kan producera optisk förstärkning före Mott -övergången i en halvledare med fritt rörliga laddningar. Optisk förstärkning inträffar efter att elektrontätheten överstiger den så kallade Mott-densiteten, vanligtvis en mycket hög densitet i storleksordningen biljoner partiklar per centimeter i kvadrat. En sådan extremt hög densitet kräver en hög nivå av injektion av elektrisk ström, eller elektrisk ström. De flesta av våra nuvarande halvledarlasrar som driver vårt internet, datacenter, och många andra applikationer är baserade på sådana halvledare.

Utforskar sambandet mellan förekomst av optisk förstärkning och Mott -övergång, särskilt att söka efter nya mekanismer för optisk förstärkning vid låga densiteter före Mott -övergången är således inte bara en fråga av grundläggande betydelse inom fastfysik, det är också av betydelse i apparapplikationer inom fotonik. Om optisk förstärkning kan uppnås med excitoniska komplex under Mott -övergången vid låga effektnivåer, framtida förstärkare och lasrar skulle kunna tillverkas som skulle kräva en liten mängd drivkraft. Detta är uppenbarligen av stort aktuellt intresse för energieffektiva fotoniska enheter eller grön fotonik. Men tyvärr, sådana frågor kunde inte utforskas fullständigt och systematiskt i en konventionell halvledare eftersom excitoner i sig inte är särskilt stabila och chansen att sträva efter högre excitoniska komplex är begränsade.

Den senaste tidens framväxt av atomiskt tunna skiktade material gjorde en sådan studie möjlig och mer meningsfull. Dessa material består endast av några lager av atomer. På grund av tunnheten i materialen, elektroner och hål lockar varandra hundratals gånger starkare än i konventionella halvledare. Sådana starka laddningsinteraktioner gör excitoner och trioner mycket stabila även vid rumstemperatur. Detta var anledningen till att författarna kunde utforska en så invecklad balans och noggrant kontrollera deras ömsesidiga omvandling för att uppnå optisk förstärkning. Genom att skapa excitoner genom optisk pumpning med en laser, excitoner bildar trioner med en del elektroner vars antal styrs av en grindspänning. När fler elektroner är i triontillstånd än elektrontillstånd, uppstår ett tillstånd som kallas befolkningsinversion. Fler fotoner kan avges än absorberas, som leder till en process som kallas stimulerad emission och optisk förstärkning eller förstärkning.

"En annan motivering för denna studie var den uppenbara motsättningen mellan några högprofilerade experiment på området de senaste åren. Det har gjorts några experiment som rapporterar laserdemonstrationer med hjälp av 2-D-material som förstärkningsmedier. Det krävdes mycket låga pumpar när excitoner är dominerande ljusemissionsmekanism.Men det enda existerande experimentet som bevisade förekomsten av optisk förstärkning i sådana material kräver mycket högre pumpnivå, "sa Ning, som leder forskargruppen. Ning märkte att densiteterna i laserexperimenten är mindre än Mott -densiteten med 3 till 5 storleksordningar, medan optisk förstärkning endast observerades efter Mott -övergången. Eftersom laseroperation kräver förekomst av optisk förstärkning, Ning frågade, "Var kommer optisk förstärkning ifrån dessa laserexperiment?" Eller "Vilka är mekanismerna för optisk förstärkning vid en så lägre nivå av optisk pumpning? Eller mer allmänt, "Finns det några möjliga nya förstärkningsmekanismer före Mott -övergången?" Dessa frågor ledde till deras experimentella undersökning som startade för flera år sedan.

"Vi har systematiskt bedrivit denna fråga experimentellt i 2-3 år. Vi studsade en ljusstråle av ett brett spektrum från 2-D molybden ditellurid och noggrant titta på om den reflekterade signalen är större eller mindre än den infallande strålen för att leta efter tecken av ljusförstärkning, "sa Hao Sun, som är huvudförfattare till detta dokument som ansvarar för optisk mätning.

"För att vara säker, ett liknande trion gain -experiment utfördes på 1990 -talet med konventionella halvledare, "märkte Ning." Men excitonerna och trionerna var så instabila, både experimentell observation och, framförallt, att använda denna optiska förstärkning för verkliga enheter är extremt svårt. "" Eftersom excitonerna och trionerna är mycket stabilare i 2-D-materialen, det finns nya möjligheter att göra verkliga enheter av denna observation, "påpekade Ning." För tillfället, detta resultat tillhör grundläggande fysikforskning, men som för alla viktiga observationer i halvledare, de kan så småningom appliceras på att göra riktiga lasrar, kommenterade Ning.