Uutta valoa 2D-nanolasereista

Arizonan yliopiston professori Cun-Zheng Ning ja Kiinan Tsinghuan yliopiston yhteistyökumppanit ovat löytäneet fysiikan prosessin, joka mahdollistaa pienitehoisten nanolasereiden valmistuksen 2D-puolijohdemateriaaleissa. Nanomittakaavojen laserien takana olevan fysiikan ja niiden vuorovaikutuksen puolijohteiden ymmärtämisellä voi olla suuri vaikutus supertietokoneiden ja datakeskusten nopeaan tiedonsiirtokanavaan.

Arizonan yliopiston (ASU) professori Cun-Zheng Ning on viettänyt viimeiset 10 vuotta puolijohde nanofoniikan parissa tutkien sitä miten valo ja laserit toimivat puolijohteiden nanomittakaavassa.

Vuoteen 2017 mennessä monet tutkijat osoittivat, että lasereita voidaan tuottaa 2D-materiaaleissa. Kun muut saivat ne toimimaan kryogeenisissä lämpötiloissa, Ningin ryhmä tuotti niitä ensimmäistä kertaa huonelämpötilassa.

Merkittävästä saavutuksesta huolimatta Ning ei voinut olla ihmettelemättä miksi se pystyi toimimaan? Viimeisen kolmen vuoden ajan Ning ja hänen tiiminsä ovat etsineet vastausta kysymykseen ja heidän etsintänsä on johtanut uusiin löytöihin.

Optinen vahvistus on kaikkia lasereita koskeva peruskonsepti. Optisen vahvistuksen aikaansaamiseksi elektronit injektoidaan puolijohdemateriaaliin ja kun elektronit ja aukot saavuttavat riittävän korkean tiheyden, ne muodostavat elektroniaukkokaasun jolloin tapahtuu optinen vahvistus.

Mutta Ning ja hänen tutkimusryhmänsä saavuttivat optisen vahvistuksen 2D-materiaaleilla ennen kuin vaadittu tiheys näytti saavutetun.

Ymmärtääkseen miksi näin saattoi tapahtua, Ning ASU:n ja Tsinghuan yliopiston tutkijoineen löysivät uudessa kokeessa prosessin, joka luo optisen vahvistuksen 2D-puolijohdemateriaaleissa.

2D-materiaalien ominaisuudet saavat elektronit ja aukot muodostamaan tiukasti sitoutuneita pareja eli eksitoneja, jotka voivat sitoutua toiseen elektroniin tai aukkoon muodostaen yksiköitä, joita kutsutaan trioneiksi.

Uusimmassa työssään Ning ja kumppanit tutkivat fysiikan monimutkaista tasapainoa, joka hallitsee sitä, kuinka elektronit, aukot, eksitonit ja trionit elävät rinnakkain ja muuntuvat toinen toisikseen optisen vahvistuksen tuottamiseksi.

"Tutkiessamme optisia perustavanlaatuisia prosesseja siitä, kuinka trioni voi emittoida tai absorboida fotonia, havaitsimme, että optinen vahvistus voi olla olemassa, kun meillä on riittävä trionipopulaatio", Ning kertoo. "Lisäksi tällaisen optisen vahvistuksen olemassaolon kynnysarvo voi olla mielivaltaisesti pieni."

Ning on ajautunut löytöönsä kiinnostuksellaan Mott-siirtymäksi kutsuttuun ilmiöön. Kyseessä on fysiikan ratkaisematon mysteeri siitä, kuinka eksitonit muodostavat trioneja ja johtavat sähköä puolijohdemateriaaleihin siihen pisteeseen, että ne saavuttavat Mott-tiheyden. Se on piste, jossa puolijohde vaihtuu eristeestä johtimeksi ja ensin tapahtuu optinen vahvistus.

Mutta Mott-siirtymän ja tiheyden saavuttamiseen tarvittava sähköteho on paljon enemmän kuin tutkijoiden havaitseman kynnysarvo.

"Jos optinen vahvistus voidaan saavuttaa eksotonisilla komplekseilla, jotka ovat Mott-siirtymisen alapuolella, alhaisella tehonsyötöllä, voitaisiin tehdä tulevaisuuden vahvistimia ja lasereita, jotka toimisivat pienellä käyttöteholla", Ning kommentoi.

Tällainen olisi pelin muuttaja energiatehokkaalle fotoniikalle tai valopohjaisille laitteille ja tarjoaa vaihtoehdon tavanomaisille puolijohteille, joiden kyky luoda ja ylläpitää riittävästi eksitoneja on rajallinen.

"Materiaalien ohuuden vuoksi elektronit ja aukot houkuttelevat toisiaan satoja kertoja vahvemmin kuin perinteisissä puolijohteissa", Ning selventää. "Tällaiset vahvat varausvuorovaikutukset tekevät eksitoneista ja trioneista erittäin vakaita jopa huoneenlämmössä."

Erilaisia kokeita trioneilla tehtiin jo 1990-luvulla tavanomaisilla puolijohteilla mutta tuotetut eksitot ja trionit olivat epävakaita. "Koska eksitot ja trionit ovat huomattavasti vakaampia 2D-materiaaleissa, on uusia mahdollisuuksia tehdä reaalimaailman laitteita näistä havainnoista."

"Pitkän aikavälin unelma on yhdistää laserit ja elektroniset laitteet yhteen integroituun alustaan, jotta supertietokone tai datakeskus voidaan käyttää sirulla", Ning sanoi. "Tällaisia tulevaisuuden sovelluksia varten nykyiset puolijohdelaserimme ovat edelleen liian suuria integroitaviksi elektronisiin laitteisiin."

Aiheesta aiemmin: Laserointia kuiskausten galleriasta