Voor de eerste keer, onderzoekers hebben een nanolaser gebouwd die slechts een enkele moleculaire laag gebruikt, geplaatst op een dunne siliciumstraal, die werkt bij kamertemperatuur. Het nieuwe apparaat, ontwikkeld door een team van onderzoekers van de Arizona State University en Tsinghua University, Peking, China, zou mogelijk kunnen worden gebruikt om informatie tussen verschillende punten op een enkele computerchip te verzenden. De lasers kunnen ook nuttig zijn voor andere detectietoepassingen in een compacte, geïntegreerd formaat.

"Dit is de eerste demonstratie van de werking bij kamertemperatuur van een nanolaser gemaakt van het enkellaags materiaal, " zei Cun-Zheng Ning, een ASU-professor elektrotechniek die het onderzoeksteam leidde. Details van de nieuwe laser worden gepubliceerd in de online editie van juli van Natuur Nanotechnologie .

Naast Ning, belangrijkste auteurs van het artikel, "Continue-golflasing bij kamertemperatuur van monolaag molybdeen Ditelluride geïntegreerd met een silicium nanostraalholte, " omvatten Yongzhuo Li, Jianxing Zhang, Dandan Huang van de Tsinghua-universiteit.

Volgens Ning is het belangrijkste voor de nieuwe ontwikkeling het gebruik van materialen die in enkele lagen kunnen worden gelegd en het licht efficiënt kunnen versterken (laswerking). Enkellaags nanolasers zijn eerder ontwikkeld, maar ze moesten allemaal worden gekoeld tot lage temperaturen met behulp van een cryogeen zoals vloeibare stikstof of vloeibaar helium. Het kunnen werken bij kamertemperatuur (~77 F) opent vele mogelijkheden voor het gebruik van deze nieuwe lasers, ' zei Ning.

Het gezamenlijke ASU-Tsinghua-onderzoeksteam gebruikte een monolaag van molybdeenditelluride geïntegreerd met een silicium nanostraalholte voor hun apparaat. Door molybdeenditelluride te combineren met silicium, wat het fundament is in de productie van halfgeleiders en een van de beste golfgeleidermaterialen, de onderzoekers waren in staat om laserwerking te bereiken zonder afkoeling, zei Ning.

Een laser heeft twee belangrijke onderdelen nodig:een versterkingsmedium dat fotonen produceert en versterkt, en een holte die fotonen opsluit of opsluit. Hoewel dergelijke materiaalkeuzes gemakkelijk zijn voor grote lasers, ze worden moeilijker op nanometerschaal voor nanolasers. Nanolasers zijn kleiner dan 100ste van de dikte van het menselijk haar en zullen naar verwachting een belangrijke rol spelen in toekomstige computerchips en een verscheidenheid aan lichtdetectie- en -detectieapparatuur.

De keuze voor tweedimensionale materialen en de siliciumgolfgeleider stelde de onderzoekers in staat om op kamertemperatuur te werken. Excitonen in molybdeentelluride zenden uit in een golflengte die transparant is voor silicium, silicium mogelijk maken als golfgeleider of holtemateriaal. Nauwkeurige fabricage van de nanostraalholte met een reeks geëtste gaten en de integratie van tweedimensionale monolaagmaterialen waren ook de sleutel tot het project. Excitonen in dergelijke monolaagmaterialen zijn 100 keer sterker dan die in conventionele halfgeleiders, waardoor een efficiënte lichtemissie bij kamertemperatuur mogelijk is.

Omdat silicium al in de elektronica wordt gebruikt, vooral in computerchips, het gebruik ervan in deze toepassing is belangrijk in toekomstige toepassingen.

"Een lasertechnologie die ook op silicium kan worden gemaakt, is al decennia een droom voor onderzoekers, "zei Ning. "Met deze technologie kunnen mensen uiteindelijk zowel elektronica als fotonica op hetzelfde siliciumplatform plaatsen, de fabricage aanzienlijk vereenvoudigen."

Silicium straalt niet efficiënt licht uit en moet daarom worden gecombineerd met andere lichtgevende materialen. Momenteel, andere halfgeleiders worden gebruikt, zoals indiumfosfide of indiumgarliumarsenide, die honderden keren dikker zijn, om te binden met silicium voor dergelijke toepassingen.

De nieuwe monolaagmaterialen in combinatie met silicium elimineren de uitdagingen die zich voordoen bij het combineren met dikkere, ongelijke materialen. En, omdat dit niet-siliciummateriaal slechts een enkele laag dik is, het is flexibel en scheurt minder snel onder spanning, volgens Ning.

Ergens naar uitkijken, het team werkt eraan om hun laser van stroom te voorzien met elektrische spanning om het systeem compacter en gebruiksvriendelijker te maken, vooral voor het beoogde gebruik op computerchips.