首页 来自二维的半导体否发生10万倍的光学增益,解开纳米激光之谜?

来自二维的半导体否发生10万倍的光学增益,解开纳米激光之谜?

在亚利桑那州立大学艾拉·A·富尔顿工程学院电气工程教授宁存正和搭档们的最新研讨中,探究了杂乱的物理平衡,这种平衡支配着电子、空穴、激子和三电子怎么共存,并彼此转化以产生光学增益,其研讨结果由清华大学副…

在亚利桑那州立大学艾拉·A·富尔顿工程学院电气工程教授宁存正和搭档们的最新研讨中,探究了杂乱的物理平衡,这种平衡支配着电子、空穴、激子和三电子怎么共存,并彼此转化以产生光学增益,其研讨结果由清华大学副教授孙浩领导,并宣布在天然《光:科学与运用》期刊上。在研讨三电子怎么发射光子(一种光粒子)或吸收光子的根本光学进程时:

研讨人员发现,当有满足的三子集体时,光学增益可以存在。此外,这种光学增益的存在阈值可以恣意小,只受丈量体系的约束。在试验中,该团队丈量了密度水平为4到5个数量级的光学增益比为条形码扫描仪和电信东西中运用的激光等光电设备供给动力传统半导体中的光学增益要小。之所以做出这样的发现,是因为研讨人员对一种名为莫特跃迁(Mott Transition)的现象感兴趣。

莫特跃迁是物理学中一个悬而未决的疑团,关于激子怎么在半导体材猜中构成三电子并导电到它们到达莫特密度。可是,完成莫特转化和密度所需的电力,远远超过了未来高效核算所需的电力。假如没有像研讨团队正在研讨的这种新低功耗纳米激光器才能,将需求一个小发电站来供给一台超级核算机。假如在莫特跃迁以下的激子复合物可以完成光学增益,那么在低水平的功率输入下:

未来的扩大器和激光器就可以制作出来,这将需求少数的驱动功率。这一开展或许会改动节能光子学或根据光的设备,并为传统半导体供给一种代替计划,因为传统半导体产生和坚持满足激子的才能有限。正如曾经二维资料试验中调查到的那样,有或许比之前以为的更早完成光学增益。现在,该研讨团队现已发现了一种可以使其发挥作用的机制。因为资料很薄,电子和空穴彼此招引强度是传统半导体的数百倍。

如此激烈的电荷彼此作用使得激子和三电子即便在室温下也十分安稳。这意味着研讨小组可以探究电子、空穴、激子和三电子的平衡,并操控它们的转化,以在十分低的密度水平上完成光学增益。当处于三电子状况的电子比它们本来的电子状况多时,就会产生一种称为布居反转的状况。可以发射的光子多于吸收的光子,这就导致了一种称为受激发射和光学扩大或增益的进程。

解开纳米激光之谜

尽管这一新发现为莫特改动之谜增加了一块半导体纳米激光器)但研讨人员表明,还不确认这是否是导致出产纳米激光器的相同机制。解开剩余疑团的研讨仍在进行中,在20世纪90年代,用传统半导体也进行了相似的Trion试验,但激子和三电子子是如此不安稳,无论是试验调查,特别是在实在设备中运用这种光学增益机制都极端困难。

因为激子和三电子在2-D材猜中更安稳,因此有新的时机,可以从这些观测中制作出实际国际中的设备。研讨团队的这一风趣的开展只停留在根底科学层面。但是,根底研讨可以带来令人兴奋的作业。根底科学是一项国际性的作业,假如各地最优异的人才都能参加进来,每个人都会获益。亚利桑那州立大学供给了一个敞开和自在的环境,特别是为与我国、德国、日本和国际各地的尖端研讨小组进行国际合作供给了条件。

研讨团队还有更多的作业要做,以研讨这种新的光学增益机制,在不同温度下是怎么作业的,以及怎么运用它有目的地制作纳米激光器,下一步是规划可以运用新光学增益机制专门操作的激光器。跟着物理根底的奠定,终究或许被运用于发明新的纳米激光器,这或许会改动超级核算和数据中心的未来。长时间的愿望是将激光和电子设备结合在一个单一的集成平台上,使超级核算机或数据中心可以在一块芯片上。

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