I en banbrytande utveckling, Los Alamos-forskare har visat att de framgångsrikt kan förstärka ljus med hjälp av elektriskt exciterade filmer av de kemiskt syntetiserade halvledarnanokristallerna som kallas kvantprickar. Kvantprickfilmerna är integrerade i enheter ungefär som de nu allmänt förekommande ljusemitterande dioderna (LED), men, i detta fall utformad för att upprätthålla de höga strömtätheter som krävs för att uppnå den optiska förstärkningsregimen. Man ser laserdioder varje dag i laserpekare, streckkodsläsare och liknande, och ett nyckelelement i sådana anordningar är ett medium för optisk förstärkning, som istället för att absorbera infallande ljus, förstärker det.

"Optisk förstärkning med elektriskt exciterade kvanumpunkter är nu verklighet, "sa Victor Klimov, chef för kvantpricksteamet i Los Alamos. "Vi har arbetat med att utveckla nya lasermedier, med hjälp av kemiskt syntetiserade kvantprickar, även om det hade ansetts allmänt att kvantpunktslasring med elektrisk stimulering helt enkelt är omöjligt, "sa han." Genom att använda våra specialdesignade prickar, vi kan undvika energiförluster som skapas av Auger-rekombination."

Nya lasrar, göras mer effektivt

Dessa resultat visar genomförbarheten av en ny generation av mycket flexibla, elektriskt pumpade lasrar som kan bearbetas från lösningar som kan komplettera eller till och med förskjuta befintliga laserdioder tillverkade med mer komplexa och kostsamma vakuumbaserade epitaxialtekniker. Dessa blivande enheter kan möjliggöra en mängd olika applikationer, från RGB-lasermoduler för bildskärmar och projektorer, till mikro-lasrar med flera våglängder för biologisk och kemisk diagnostik.

Designerprickar utan värmeförlust

I den nya rapporten som publicerades idag i Naturmaterial , Los Alamos-teamet visar att genom att använda deras "designer" kvantprickar, de kan uppnå ljusförstärkning i en fast nanokristall med elektrisk likströmspumpning. Nyckelegenskapen hos de nya kvantprickarna, understryker framgången med den genomförda studien, är en noggrant konstruerad partikelinredning där materialets sammansättning kontinuerligt varieras i radiell riktning. Detta tillvägagångssätt eliminerar skarpa steg i atomsammansättningen som normalt skulle utlösa Auger-rekombination. Som ett resultat, de konstruerade kvantprickarna har nästan fullständigt undertryckande av Auger -effektens värmeförlust, och detta gör det möjligt att omdirigera energin som frigörs av den elektriska strömmen till ljusemissionskanalen istället för slösaktig värme.

Los Alamos nanoteknologiteam upptäckte ursprungligen lasereffekten i halvledarnanokrystaller år 2000. I dessa principprövningsexperiment, redovisas i tidskriften Vetenskap , kvantpunkterna stimulerades med mycket korta (femtosekund) laserpulser som användes för att konkurrera ut den optiska förstärkningens förfall orsakad av Auger-processen. Korta livstider för optisk förstärkning skapar ett särskilt allvarligt problem i fallet med elektrisk pumpning, vilket är en i sig långsam process då elektroner och hål injiceras i kvantpunkten en efter en.

Håller fokus

En annan viktig del av detta arbete är en speciell "strömfokuserande" enhetsarkitektur som tillåter de höga strömtätheter som krävs för att uppnå optisk förstärkning. Metoden som användes av Los Alamos-forskare var att avsmalna en av laddningsinjektionselektroderna, begränsa storleken på det strömledande området till mindre än 100 mikron. Genom att använda denna strategi, de kunde producera en strömkoncentration som var tillräcklig för att nå ljusförstärkningsregimen utan att skada vare sig prickarna eller injektionsskikten.