Optische versterking is een voorwaarde voor signaalversterking in een optische versterker of laser. Het vereist typisch hoge niveaus van stroominjectie in conventionele halfgeleiders. Door een ingewikkelde balans en omzetting van excitonen en trionen in atomair dunne tweedimensionale materialen te onderzoeken, de auteurs vonden een nieuw versterkingsmechanisme dat een ingangsvermogen vereist dat enkele ordes van grootte lager is dan bij conventionele halfgeleiders. Dit nieuwe versterkingsmechanisme zou het mogelijk kunnen maken om lasers te maken met een extreem laag ingangsvermogen.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , onderzoekers van Tsinghua University en Arizona State University rapporteren hun resultaten over het bestuderen van de fundamentele fysica van excitonen, trionen, en aanverwante complexen. Excitonen zijn quasi-deeltjes gevormd door een elektron en een leegte genaamd gat dat overblijft wanneer een elektron wordt geëxciteerd in een halfgeleider. Zo'n exciton kan worden opgeladen, om een ​​zogenaamd trion te vormen wanneer het verder bindt met een ander elektron of een gat. Het team ontdekte een interessant proces dat optische winst oplevert, een voorwaarde voor signaalversterking of laserwerking in een halfgeleider, door het ingewikkelde evenwicht en de omzetting van excitonen te onderzoeken, elektronen, gaten, en trionen. Interessant is dat het vereiste ingangsvermogen om een ​​dergelijke optische versterking te realiseren extreem laag is:4 tot 5 ordes van grootte lager dan in een conventionele halfgeleider zoals GaAs of InP, welke momenteel de werkpaardmaterialen zijn voor opto-elektronische apparaten.

De verdeling van deze aan excitonen gerelateerde complexen en hun dynamische onderlinge omzetting vormen al tientallen jaren de kern van de vastestoffysica. Er zijn nog steeds onopgeloste problemen over hoe deze excitonen complexere deeltjes vormen en uiteindelijk transformeren in een geïoniseerde geleidende fase van geladen deeltjes naarmate we er steeds meer van in een halfgeleider introduceren. Dit proces wordt de Mott-transitie genoemd, naar Sir Nevill Francis Mott, de gevierde Britse Nobelprijswinnende natuurkundige. Conventionele theorie voor het optreden van optische versterking zegt dat vrije excitonen geen optische versterking kunnen produceren vóór de Mott-overgang in een halfgeleider met vrij bewegende ladingen. Optische versterking treedt op nadat de elektronendichtheid de zogenaamde Mott-dichtheid overschrijdt, typisch een zeer hoge dichtheid in de orde van biljoenen deeltjes per vierkante centimeter. Zo'n extreem hoge dichtheid vereist een hoog niveau van injectie van elektrische stroom, of elektrische stroom. De meeste van onze huidige halfgeleiderlasers die ons internet van stroom voorzien, datacentra, en vele andere toepassingen zijn gebaseerd op dergelijke halfgeleiders.

Onderzoek naar de relatie tussen het optreden van optische versterking en Mott-overgang, vooral het zoeken naar nieuwe mechanismen van optische versterking bij lage dichtheden vóór de Mott-overgang is dus niet alleen een kwestie van fundamenteel belang in de vastestoffysica, het is ook van belang bij apparaattoepassingen in de fotonica. Als optische versterking kan worden bereikt met excitonische complexen onder de Mott-overgang bij een laag ingangsvermogen, toekomstige versterkers en lasers zouden kunnen worden gemaakt die een kleine hoeveelheid aandrijfvermogen zouden vereisen. Dit is uiteraard van groot actueel belang voor energiezuinige fotonische apparaten of groene fotonica. Maar helaas, dergelijke problemen konden niet volledig en systematisch worden onderzocht in een conventionele halfgeleider omdat excitonen zelf niet erg stabiel zijn en de kans op het nastreven van hogere excitonische complexen beperkt is.

De recente opkomst van atomair dunne gelaagde materialen maakte een dergelijk onderzoek mogelijk en zinvoller. Deze materialen bestaan ​​uit slechts enkele lagen atomen. Door de dunheid van de materialen, elektronen en gaten trekken elkaar honderden keren sterker aan dan in conventionele halfgeleiders. Dergelijke sterke ladingsinteracties maken excitonen en trionen zeer stabiel, zelfs bij kamertemperatuur. Dit was de reden waarom de auteurs zo'n ingewikkeld evenwicht konden onderzoeken en hun wederzijdse conversie zorgvuldig konden beheersen om optische winst te behalen. Door excitonen te creëren door optisch pompen door een laser, excitonen vormen trionen met een deel van elektronen waarvan het aantal wordt geregeld door een poortspanning. Als er meer elektronen in de triontoestand zijn dan in de elektronentoestand, er treedt een aandoening op die populatie-inversie wordt genoemd. Er kunnen meer fotonen worden uitgezonden dan geabsorbeerd, wat leidt tot een proces dat gestimuleerde emissie en optische versterking of versterking wordt genoemd.

"Een andere motivatie voor deze studie was de schijnbare tegenstrijdigheid tussen een paar opvallende experimenten in het veld in de afgelopen jaren. Er zijn een paar experimenten geweest die laserdemonstraties rapporteerden met behulp van 2D-materialen als versterkingsmedia. Daar vereisten lasers een zeer laag niveau van pompen wanneer excitonen zijn het dominante mechanisme voor lichtemissie, maar het enige bestaande experiment dat het bestaan ​​van optische versterking in dergelijke materialen aantoonde, vereist een veel hoger niveau van pompen, " zei Ning, die het onderzoeksteam leidt. Ning merkte op dat de dichtheden in de laserexperimenten 3 tot 5 ordes van grootte kleiner zijn dan de Mott-dichtheid, terwijl optische versterking pas werd waargenomen na de Mott-overgang. Aangezien laserwerking het bestaan ​​van optische versterking vereist, vroeg Ning, "Waar komt optische winst vandaan in die laserexperimenten?" Of "Wat zijn de mechanismen van optische versterking op zo'n lager niveau van optisch pompen? Of meer in het algemeen, "Zijn er mogelijke nieuwe versterkingsmechanismen vóór de Mott-overgang?" Deze vragen leidden tot hun experimentele onderzoek dat enkele jaren geleden begon.

"We hebben dit probleem systematisch 2-3 jaar lang experimenteel nagestreefd. We hebben een lichtstraal met een breed spectrum weerkaatst van 2-D molybdeen ditelluride en zorgvuldig kijken of het gereflecteerde signaal groter of kleiner is dan de invallende bundel om te zoeken naar enig teken van lichtversterking, " zei Hao Zon, wie is een hoofdauteur van dit artikel die verantwoordelijk is voor optische metingen.

"Om zeker te zijn, een soortgelijk trion-versterkingsexperiment werd in de jaren negentig uitgevoerd met conventionele halfgeleiders, " merkte Ning op. "Maar de excitonen en trions waren zo onstabiel, zowel experimentele observatie als, vooral, het gebruik van deze optische versterking voor echte apparaten is buitengewoon moeilijk." "Omdat de excitonen en trionen veel stabieler zijn in de 2D-materialen, er zijn nieuwe mogelijkheden om van deze observatie echte apparaten te maken, " merkte Ning op. "Voor het moment, dit resultaat behoort tot fundamenteel natuurkundig onderzoek, maar wat betreft alle belangrijke waarnemingen in halfgeleiders, ze zouden uiteindelijk kunnen worden toegepast om echte lasers te maken, " merkte Ning op.