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(音译)和同事们的最新研究中,探索了复杂的物理平衡,这种平衡支配着电子、空穴、激子和三电子如何共存,并相互转换以产生光学增益,其研究结果由清华大学副教授孙浩(音译)领导,并发表在自然《光:科学与应用》期刊上。在研究三电子如何发射光子(一种光粒子)或吸收光子的基本光学过程时:

研究人员发现,当有足够的三子群体时,光学增益可以存在。此外,这种光学增益的存在阈值可以任意小,只受测量系统的限制。在实验中,该团队测量了密度水平为4到5个数量级的光学增益(1万到10万倍)比为条形码扫描仪和电信工具中使用的激光等光电设备提供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,是因为研究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谜团,关于激子如何在半导体材料中形成三电子并导电到它们达到莫特密度(半导体从绝缘体变成导体,光学增益第一次出现的点)。但是,实现莫特转换和密度所需的电力,远远超过了未来高效计算所需的电力。如果没有像研究团队正在研究的这种新低功耗纳米激光器能力,将需要一个小发电站来供应一台超级计算机。如果在莫特跃迁以下的激子复合物能够实现光学增益,那么在低水平的功率输入下:

未来的放大器和激光器就可以制造出来,这将需要少量的驱动功率。这一发展可能会改变节能光子学或基于光的设备,并为传统半导体提供一种替代方案,因为传统半导体产生和保持足够激子的能力有限。正如以前二维材料实验中观察到的那样,有可能比之前认为的更早实现光学增益。现在,该研究团队已经发现了一种可以使其发挥作用的机制。由于材料很薄,电子和空穴相互吸引强度是传统半导体的数百倍。

如此强烈的电荷相互作用使得激子和三电子即使在室温下也非常稳定。这意味着研究小组可以探索电子、空穴、激子和三电子的平衡,并控制它们的转换,以在非常低的密度水平上实现光学增益。当处于三电子状态的电子比它们原来的电子状态多时,就会发生一种称为布居反转的情况。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放大或增益的过程。

解开纳米激光之谜

虽然这一新发现为莫特转变之谜增加了一块(发现了一种新的机制,研究人员可以利用它来创造低功率的二维(2-D)半导体纳米激光器)但研究人员表示,还不确定这是否是导致生产纳米激光器的相同机制。解开剩下谜团的研究仍在进行中,在20世纪90年代,用传统半导体也进行了类似的Trion实验,但激子和三电子子是如此不稳定,无论是实验观察,特别是在真实设备中利用这种光学增益机制都极其困难。

由于激子和三电子在2-D材料中更稳定,因此有新的机会,可以从这些观测中制造出现实世界中的设备。研究团队的这一有趣的发展只停留在基础科学层面。然而,基础研究可以带来令人兴奋的事情。基础科学是一项世界性的事业,如果各地最优秀的人才都能参与进来,每个人都会受益。亚利桑那州立大学提供了一个开放和自由的环境,特别是为与中国、德国、日本和世界各地的顶级研究小组进行国际合作提供了条件。

研究团队还有更多的工作要做,以研究这种新的光学增益机制,在不同温度下是如何工作的,以及如何利用它有目的地制造纳米激光器,下一步是设计可以使用新光学增益机制专门操作的激光器。随着物理基础的奠定,最终可能被应用于创造新的纳米激光器,这可能会改变超级计算和数据中心的未来。长期的梦想是将激光和电子设备结合在一个单一的集成平台上,使超级计算机或数据中心能够在一块芯片上。

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博科园|研究/来自:亚利桑那州立大学

研究发表期刊《光:科学与应用》

DOI: 10.1038/s41377-020-0278-z

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图文简介

研究人员发现,当有足够的三子群体时,光学增益可以存在。此外,这种光学增益的存在阈值可以任意小,只受测量系统的限制。