In zijn laatste onderzoekslijn Cun-Zheng Ning, een professor in elektrotechniek aan de Ira A. Fulton Schools of Engineering aan de Arizona State University, en zijn collega's onderzochten de ingewikkelde balans van de natuurkunde die bepaalt hoe elektronen, gaten, excitonen en trions bestaan ​​naast elkaar en worden onderling omgezet in elkaar om optische versterking te produceren. hun resultaten, onder leiding van Tsinghua University universitair hoofddocent Hao Sun, werden onlangs gepubliceerd in de Natuur publicatie Licht:wetenschap en toepassingen .

"Terwijl we de fundamentele optische processen bestuderen van hoe een trion een foton [een lichtdeeltje] kan uitzenden of een foton kan absorberen, we ontdekten dat optische versterking kan bestaan ​​als we voldoende trion-populatie hebben, " zegt Ning. "Bovendien, de drempelwaarde voor het bestaan ​​van een dergelijke optische versterking kan willekeurig klein zijn, alleen beperkt door ons meetsysteem."

In het experiment van Ning, het team heeft optische versterking gemeten bij dichtheidsniveaus van vier tot vijf ordes van grootte-10, 000 tot 100, 000 keer kleiner dan die in conventionele halfgeleiders die opto-elektronische apparaten voeden, zoals barcodescanners en lasers die worden gebruikt in telecommunicatietools.

Ning is tot zo'n ontdekking gedreven door zijn interesse in een fenomeen dat de Mott-transitie wordt genoemd, een onopgelost mysterie in de natuurkunde over hoe excitonen trionen vormen en elektriciteit geleiden in halfgeleidermaterialen tot het punt dat ze de Mott-dichtheid bereiken (het punt waarop een halfgeleider verandert van een isolator in een geleider en er voor het eerst optische versterking optreedt).

Maar de elektrische stroom die nodig is om de Mott-transitie en -dichtheid te bereiken, is veel meer dan wat wenselijk is voor de toekomst van efficiënt computergebruik. Zonder nieuwe laagvermogen nanolaser-mogelijkheden zoals degene die hij onderzoekt, Ning zegt dat er een kleine krachtcentrale nodig is om één supercomputer te laten werken.

"Als optische winst kan worden bereikt met excitonische complexen onder de Mott-overgang, bij een laag opgenomen vermogen, toekomstige versterkers en lasers zouden kunnen worden gemaakt die een kleine hoeveelheid aandrijfvermogen zouden vereisen, ' zegt Ning.

Deze ontwikkeling kan baanbrekend zijn voor energiezuinige fotonica, of op licht gebaseerde apparaten, en een alternatief bieden voor conventionele halfgeleiders, die beperkt zijn in hun vermogen om voldoende excitonen te creëren en te behouden.

Zoals Ning in eerdere experimenten met 2D-materialen opmerkte, het is mogelijk om eerder optische winst te bereiken dan eerder werd aangenomen. Nu hebben hij en zijn team een ​​mechanisme ontdekt waardoor het zou kunnen werken.

"Vanwege de dunheid van de materialen, elektronen en gaten trekken elkaar honderden keren sterker aan dan in conventionele halfgeleiders, " zegt Ning. "Zulke sterke ladingsinteracties maken excitonen en trionen zeer stabiel, zelfs bij kamertemperatuur."

Dit betekent dat het onderzoeksteam de balans van de elektronen kan onderzoeken, gaten, excitonen en trionen en regelen hun conversie om optische versterking te bereiken bij zeer lage dichtheidsniveaus.

"Als er meer elektronen in de triontoestand zijn dan hun oorspronkelijke elektronentoestand, er treedt een aandoening op die populatie-inversie wordt genoemd, ' zegt Ning. 'Er kunnen meer fotonen worden uitgezonden dan geabsorbeerd, wat leidt tot een proces dat gestimuleerde emissie en optische versterking of versterking wordt genoemd."

Het oplossen van nanolaser-mysteries, stap voor stap fundamentele wetenschap tegelijk

Hoewel deze nieuwe ontdekking een stukje aan de Mott-overgangspuzzel toevoegde - het onthulde een nieuw mechanisme dat onderzoekers kunnen gebruiken om 2-D halfgeleider-nanolasers met laag vermogen te maken - zegt Ning dat ze nog niet zeker weten of dit hetzelfde mechanisme is dat leidde tot de productie van hun nanolasers uit 2017.

Er wordt nog steeds gewerkt aan het oplossen van de resterende mysteries.

Soortgelijke trion-experimenten werden in de jaren negentig uitgevoerd met conventionele halfgeleiders, Ning zegt, "maar de excitonen en trions waren zo onstabiel, zowel experimentele observatie als, vooral, het gebruik van dit optische versterkingsmechanisme 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 waarnemingen echte apparaten te maken."

Deze interessante ontwikkeling door Ning en zijn onderzoeksteam bevindt zich alleen op het niveau van de fundamentele wetenschap. Echter, fundamenteel onderzoek kan tot spannende dingen leiden.

"Basiswetenschap is een wereldwijde onderneming en iedereen heeft er baat bij als de beste mensen van overal kunnen worden betrokken. ASU heeft gezorgd voor een open en vrije omgeving, vooral voor internationale samenwerkingen met toponderzoeksgroepen in China, Duitsland, Japan en wereldwijd, ' zegt Ning.

Zijn team heeft nog meer werk te doen om te bestuderen hoe dit nieuwe mechanisme van optische versterking werkt bij verschillende temperaturen - en hoe het te gebruiken om de nanolasers doelbewust te maken.

"De volgende stap is het ontwerpen van lasers die specifiek kunnen werken met behulp van de nieuwe mechanismen van optische versterking, ' zegt Ning.

Met de fysieke fundamenten gelegd, ze zouden uiteindelijk kunnen worden toegepast om nieuwe nanolasers te maken die de toekomst van supercomputing en datacenters kunnen veranderen.

"De langetermijndroom is om lasers en elektronische apparaten te combineren in één geïntegreerd platform, om een ​​supercomputer of datacenter op een chip mogelijk te maken, " zegt Ning. "Voor dergelijke toekomstige toepassingen, onze huidige halfgeleiderlasers zijn nog te groot om te integreren met elektronische apparaten."