Cun-Zheng Ning, en professor i elektroteknik vid Ira A. Fulton Schools of Engineering vid Arizona State University, och medarbetare från Tsinghua University i Kina upptäckte en fysikprocess som gör det möjligt att producera lågeffekts nanolasrar i 2D-halvledarmaterial. Att förstå fysiken bakom lasrar i nanoskala och hur de interagerar med halvledare kan få stora konsekvenser för höghastighetskommunikationskanaler för superdatorer och datacenter. Upphovsman:Rhonda Hitchcock-Mast/ASU
I sin senaste forskningslinje, Cun-Zheng Ning, professor i elektroteknik vid Ira A. Fulton Schools of Engineering vid Arizona State University, och hans kamrater utforskade den intrikata balansen i fysiken som styr hur elektroner, hål, excitoner och trioner samexisterar och omvandlas ömsesidigt till varandra för att producera optisk förstärkning. Deras resultat, ledd av Tsinghua University Docent Hao Sun, publicerades nyligen i Natur offentliggörande Ljus:Vetenskap och applikationer .
"Medan man studerar de grundläggande optiska processerna för hur en trion kan sända ut en foton [en partikel av ljus] eller absorbera en foton, vi upptäckte att optisk förstärkning kan existera när vi har tillräcklig trionpopulation, " säger Ning. "Dessutom, tröskelvärdet för förekomsten av sådan optisk förstärkning kan vara godtyckligt litet, endast begränsat av vårt mätsystem."
I Nings experiment, teamet mätte optisk förstärkning vid densitetsnivåer fyra till fem storleksordningar—10, 000 till 100, 000 gånger - mindre än de i konventionella halvledare som driver optoelektroniska enheter, som streckkodsläsare och lasrar som används i telekommunikationsverktyg.
Ning har drivits att göra en sådan upptäckt av sitt intresse för ett fenomen som kallas Mott-övergången, ett olöst mysterium i fysiken om hur excitoner bildar trioner och leder elektricitet i halvledarmaterial till den grad att de når Mott -densiteten (den punkt där en halvledare ändras från en isolator till en ledare och optisk förstärkning först inträffar).
Men den elektriska kraften som behövs för att uppnå Mott-övergång och densitet är mycket mer än vad som är önskvärt för framtiden för effektiv datoranvändning. Utan nya lågeffekts nanolaserfunktioner som de han forskar om, Ning säger att det skulle krävas ett litet kraftverk för att driva en superdator.
"Om optisk förstärkning kan uppnås med excitoniska komplex under Mott-övergången, vid låga nivåer av strömtillförsel, framtida förstärkare och lasrar skulle kunna tillverkas som skulle kräva en liten mängd drivkraft, " säger Ning.
Den här utvecklingen kan förändra spelet för energieffektiv fotonik, eller ljusbaserade enheter, och tillhandahålla ett alternativ till konventionella halvledare, som är begränsade i sin förmåga att skapa och underhålla tillräckligt med excitoner.
Som Ning observerade i tidigare experiment med 2D-material, det är möjligt att uppnå optisk förstärkning tidigare än tidigare trott. Nu har han och hans team upptäckt en mekanism som kan få det att fungera.
"På grund av materialens tunnhet, elektroner och hål attraherar varandra hundratals gånger starkare än i konventionella halvledare, Ning säger. "Så starka laddningsinteraktioner gör excitoner och trioner mycket stabila även vid rumstemperatur."
Detta innebär att forskargruppen kan utforska balansen mellan elektronerna, hål, excitoner och trioner samt kontrollera deras omvandling för att uppnå optisk förstärkning vid mycket låga nivåer av densitet.
"När fler elektroner är i triontillståndet än deras ursprungliga elektrontillstånd, ett tillstånd som kallas populationsinversion inträffar, " säger Ning. "Fler fotoner kan sändas ut än absorberas, som leder till en process som kallas stimulerad emission och optisk förstärkning eller förstärkning. "
I forskning som utförts av Cun-Zheng Ning och hans ASU och Tsinghua University-samarbetspartners, ett enda lager av 2D-material placerades på ett noggrant utformat substrat med guld som en back-gate för att kontrollera antalet elektroner i materialet. En annan laser pumpar 2D-materialet för att skapa excitoner, varav några bildar trioner med de redan existerande elektronerna. Det reflekterade ljuset övervakas för att hitta signaturen för förstärkning. Upphovsman:Cun-Zheng Ning
Lösa nanolasermysterier, ett steg i den grundläggande vetenskapen i taget
Även om den här nya upptäckten lade till en bit till Mott-övergångspusslet – den avslöjade en ny mekanism som forskare kan utnyttja för att skapa lågeffekts 2-D-halvledarnanolasrar – säger Ning att de ännu inte är säkra på om detta är samma mekanism som ledde till produktionen av deras 2017 års nanolasrar.
Arbetet pågår fortfarande för att lösa de återstående mysterierna.
Liknande trionförsök utfördes på 1990 -talet med konventionella halvledare, Ning säger, "men excitonerna och trionerna var så instabila, både experimentell observation och, framförallt, det är extremt svårt att använda denna optiska förstärkningsmekanism för riktiga enheter."
"Eftersom excitonerna och trionerna är mycket mer stabila i 2-D-materialen, det finns nya möjligheter att göra verkliga enheter av dessa observationer."
Denna intressanta utveckling av Ning och hans forskargrupp ligger bara på den grundläggande vetenskapliga nivån. Dock, grundforskning kan leda till spännande saker.
"Grundvetenskap är en världsomspännande strävan och alla tjänar på om de bästa människorna från överallt kan vara involverade. ASU har tillhandahållit en öppen och fri miljö, speciellt för internationella samarbeten med toppforskargrupper i Kina, Tyskland, Japan och världen över, " säger Ning.
Hans team har mer arbete kvar att göra för att studera hur denna nya mekanism för optisk förstärkning fungerar vid olika temperaturer - och hur man använder den för att skapa nanolasrar målmedvetet.
"Nästa steg är att designa lasrar som kan arbeta specifikt med de nya mekanismerna för optisk förstärkning, " säger Ning.
Med de fysiska grunderna lagda, de kan så småningom användas för att skapa nya nanolasrar som kan förändra framtiden för superdatorer och datacenter.
"Den långsiktiga drömmen är att kombinera lasrar och elektroniska enheter i en enda integrerad plattform, för att aktivera en superdator eller datacenter på ett chip, " säger Ning. "För sådana framtida tillämpningar, våra nuvarande halvledarlasrar är fortfarande för stora för att integreras med elektroniska enheter. "
