閱讀 | 訂閱
閱讀 | 訂閱
核心器件

二維半導體揭開納米激光的神秘面紗

來源:激光之窗2023-04-20 我要評論(0 )   

在亞利桑那州立大學艾拉·A·富爾頓工程學院電氣工程教授寧存正和同事們的最新研究中,探索了復雜的物理平衡,這種平衡支配著電子、空穴、激子和三電子如何共存,并相互...

在亞利桑那州立大學艾拉·A·富爾頓工程學院電氣工程教授寧存正和同事們的最新研究中,探索了復雜的物理平衡,這種平衡支配著電子、空穴、激子和三電子如何共存,并相互轉換以產生光學增益,


其研究結果由清華大學副教授孫浩領導,并發(fā)表在自然《光:科學與應用》期刊上。在研究三電子如何發(fā)射光子(一種光粒子)或吸收光子的基本光學過程時:
圖片
研究人員發(fā)現(xiàn),當有足夠的三子群體時,光學增益可以存在。此外,這種光學增益的存在閾值可以任意小,只受測量系統(tǒng)的限制。在實驗中,該團隊測量了密度水平為 4 到 5 個數(shù)量級的光學增益(1 萬到 10 萬倍)比為條形碼掃描儀和電信工具中使用的激光等光電設備提供動力傳統(tǒng)半導體中的光學增益要小。之所以做出這樣的發(fā)現(xiàn),是因為研究人員對一種名為莫特躍遷(Mott Transition)的現(xiàn)象感興趣。
莫特躍遷是物理學中一個懸而未決的謎團,關于激子如何在半導體材料中形成三電子并導電到它們達到莫特密度(半導體從絕緣體變成導體,光學增益第一次出現(xiàn)的點)。但是,實現(xiàn)莫特轉換和密度所需的電力,遠遠超過了未來高效計算所需的電力。如果沒有像研究團隊正在研究的這種新低功耗納米激光器能力,將需要一個小發(fā)電站來供應一臺超級計算機。如果在莫特躍遷以下的激子復合物能夠實現(xiàn)光學增益,那么在低水平的功率輸入下:
圖片未來的放大器和激光器就可以制造出來,這將需要少量的驅動功率。這一發(fā)展可能會改變節(jié)能光子學或基于光的設備,并為傳統(tǒng)半導體提供一種替代方案,因為傳統(tǒng)半導體產生和保持足夠激子的能力有限。正如以前二維材料實驗中觀察到的那樣,有可能比之前認為的更早實現(xiàn)光學增益。現(xiàn)在,該研究團隊已經發(fā)現(xiàn)了一種可以使其發(fā)揮作用的機制。由于材料很薄,電子和空穴相互吸引強度是傳統(tǒng)半導體的數(shù)百倍。
圖片
如此強烈的電荷相互作用使得激子和三電子即使在室溫下也非常穩(wěn)定。這意味著研究小組可以探索電子、空穴、激子和三電子的平衡,并控制它們的轉換,以在非常低的密度水平上實現(xiàn)光學增益。當處于三電子狀態(tài)的電子比它們原來的電子狀態(tài)多時,就會發(fā)生一種稱為布居反轉的情況。可以發(fā)射的光子多于吸收的光子,這就導致了一種稱為受激發(fā)射和光學放大或增益的過程。

解開納米激光之謎

雖然這一新發(fā)現(xiàn)為莫特轉變之謎增加了一塊(發(fā)現(xiàn)了一種新的機制,研究人員可以利用它來創(chuàng)造低功率的二維(2-D)半導體納米激光器)但研究人員表示,還不確定這是否是導致生產納米激光器的相同機制。解開剩下謎團的研究仍在進行中,在 20 世紀 90 年代,用傳統(tǒng)半導體也進行了類似的 Trion 實驗,但激子和三電子子是如此不穩(wěn)定,無論是實驗觀察,特別是在真實設備中利用這種光學增益機制都極其困難。
圖片
由于激子和三電子在 2-D 材料中更穩(wěn)定,因此有新的機會,可以從這些觀測中制造出現(xiàn)實世界中的設備。研究團隊的這一有趣的發(fā)展只停留在基礎科學層面。然而,基礎研究可以帶來令人興奮的事情?;A科學是一項世界性的事業(yè),如果各地最優(yōu)秀的人才都能參與進來,每個人都會受益。亞利桑那州立大學提供了一個開放和自由的環(huán)境,特別是為與中國、德國、日本和世界各地的頂級研究小組進行國際合作提供了條件。
圖片
研究團隊還有更多的工作要做,以研究這種新的光學增益機制,在不同溫度下是如何工作的,以及如何利用它有目的地制造納米激光器,下一步是設計可以使用新光學增益機制專門操作的激光器。隨著物理基礎的奠定,最終可能被應用于創(chuàng)造新的納米激光器,這可能會改變超級計算和數(shù)據中心的未來。長期的夢想是將激光和電子設備結合在一個單一的集成平臺上,使超級計算機或數(shù)據中心能夠在一塊芯片上。



轉載請注明出處。

暫無關鍵詞
免責聲明

① 凡本網未注明其他出處的作品,版權均屬于激光制造網,未經本網授權不得轉載、摘編或利用其它方式使用。獲本網授權使用作品的,應在授權范圍內使 用,并注明"來源:激光制造網”。違反上述聲明者,本網將追究其相關責任。
② 凡本網注明其他來源的作品及圖片,均轉載自其它媒體,轉載目的在于傳遞更多信息,并不代表本媒贊同其觀點和對其真實性負責,版權歸原作者所有,如有侵權請聯(lián)系我們刪除。
③ 任何單位或個人認為本網內容可能涉嫌侵犯其合法權益,請及時向本網提出書面權利通知,并提供身份證明、權屬證明、具體鏈接(URL)及詳細侵權情況證明。本網在收到上述法律文件后,將會依法盡快移除相關涉嫌侵權的內容。

網友點評
0相關評論
精彩導讀