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通过二维半导体,它可以产生100,000倍的光学增益,解决了纳米激光的奥秘

在亚利桑那州立大学埃拉·富尔顿工程学院电气工程教授宁·青正(Ning Cunzheng)和同事的最新研究中,他探索了一个主要的电子,空穴和激子组成的复杂物理平衡,如何与三种电子共存。清华大学副教授孙浩领导的研究成果相互转化并产生光增益,并发表在《自然:光与科学与应用》杂志上。在研究三个电子如何发射光子(一种光粒子)或吸收光子的基本光学过程时:

研究人员发现,当三个子组足够多时,光学增益就可以存在。另外,该光学增益的存在阈值可以任意地小,仅受测量系统的限制。在实验中,该团队测得的光学增益密度为4至5个数量级(10,000至100,000倍),比由光电设备(例如条形码扫描仪和电信工具中使用的激光器)驱动的传统半导体的光学增益小。 。这项发现的原因是因为研究人员对称为Mott Transition的现象感兴趣。

莫特跃迁在物理学上是一个未解之谜,它涉及激子如何在半导体材料中形成三个电子并传导它们,直到它们达到莫特密度(半导体从绝缘体变为导体,光学增益首次出现的点)。但是,实现Mott转换和密度所需的功率远远超过将来进行有效计算所需的功率。如果没有研究小组正在研究的新的低功率纳米激光功能,将需要一个小型发电站来提供超级计算机。如果低于Mott跃迁的激子复合物可以实现光学增益,则在低功率输入下:

可以制造未来的放大器和激光器,这将需要少量的驱动功率。这种发展可能会改变节能的光子学或基于光的器件,并为传统半导体提供替代方案,后者具有有限的生成和维持足够的激子的能力。如在先前的二维材料实验中所观察到的,可以比先前认为的更早地获得光学增益。现在,研究团队发现了一种可以使其工作的机制。由于材料非常薄,因此电子和空穴的吸引强度是传统半导体的数百倍。

如此强的电荷相互作用使得激子和三个电子即使在室温下也非常稳定。这意味着研究团队可以探索电子,空穴,激子和三个电子的平衡,并控制它们的转换,以在非常低的密度水平下获得光学增益。当三电子态的电子多于其原始电子态时,会发生称为粒子数反转的情况。发射的光子可能比吸收的光子多,这导致了被称为受激发射和光放大或增益的过程。

解决纳米激光的奥秘

尽管这一新发现为Mott的转型之谜增添了一块(发现了一种新的机制,研究人员可以用它来创建低功率的二维(2-D)半导体纳米激光器),但研究人员说,不确定是否这与导致纳米激光器生产的机制相同。解决剩余谜团的研究仍在进行中。在1990年代,对传统半导体进行了类似的Trion实验,但是激子和三个电子是如此不稳定,无论是实验观察,尤其是实际观察,在设备中使用这种光学增益机制都极为困难。

由于激子和三个电子在二维材料中更稳定,因此有新的机会根据这些观察结果创建真实的设备。研究团队的这种有趣的发展仅在基础科学水平上。但是,基础研究可以带来令人兴奋的事情。基础科学是一项全球性的事业。如果所有地区的最优秀人才都能参加,那么每个人都会从中受益。亚利桑那州立大学提供开放和自由的环境,尤其是与中国,德国,日本以及世界各地的顶尖研究团体进行国际合作时。

研究团队还有更多工作要做,以研究这种新的光学增益机制,其在不同温度下的工作方式以及如何使用它来有目的地制造纳米激光器。下一步是设计新的光学增益。该机制专用于激光器。由于奠定了物理基础,因此最终可以将其用于创建新的纳米激光器,这可能会改变超级计算和数据中心的未来。长期的梦想是将激光和电子设备集成在一个集成平台上,从而使超级计算机或数据中心可以集成在单个芯片上。

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