Il guadagno ottico è un prerequisito per l'amplificazione del segnale in un amplificatore ottico o laser. In genere richiede alti livelli di iniezione di corrente nei semiconduttori convenzionali. Esplorando un intricato equilibrio e la conversione di eccitoni e trioni in materiali bidimensionali atomicamente sottili, gli autori hanno scoperto un nuovo meccanismo di guadagno che richiede una potenza in ingresso di diversi ordini di grandezza inferiore rispetto ai semiconduttori convenzionali. Questo nuovo meccanismo di guadagno potrebbe potenzialmente consentire la realizzazione di laser con una potenza di ingresso estremamente bassa.

In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce , ricercatori della Tsinghua University e dell'Arizona State University riportano i loro risultati sullo studio della fisica fondamentale degli eccitoni, trioni, e relativi complessi. Gli eccitoni sono quasi-particelle formate da un elettrone e da un vuoto chiamato buco lasciato quando un elettrone viene eccitato in un semiconduttore. Tale eccitone può essere caricato, per formare un cosiddetto trione quando si lega ulteriormente con un altro elettrone o una lacuna. Il team ha scoperto un processo interessante che fornisce un guadagno ottico, un prerequisito per l'amplificazione del segnale o il laser in un semiconduttore, esplorando l'intricato equilibrio e la conversione degli eccitoni, elettroni, buchi, e trioni. È interessante notare che il livello di potenza in ingresso richiesto per realizzare tale guadagno ottico è estremamente basso:da 4 a 5 ordini di grandezza inferiore rispetto a un semiconduttore convenzionale come GaAs o InP, quali sono attualmente i materiali del cavallo di battaglia per i dispositivi optoelettronici.

La distribuzione di questi complessi legati agli eccitoni e la loro mutua conversione dinamica sono al centro della fisica dello stato solido da molti decenni. Ci sono ancora problemi irrisolti su come questi eccitoni formino particelle più complesse e alla fine si trasformino in una fase conduttiva ionizzata di particelle cariche mentre ne introduciamo sempre più in un semiconduttore. Questo processo è chiamato transizione di Mott, dopo Sir Nevill Francis Mott, il celebre fisico britannico vincitore del Nobel. La teoria convenzionale per il verificarsi del guadagno ottico afferma che gli eccitoni liberi non possono produrre guadagno ottico prima della transizione di Mott in un semiconduttore con cariche in movimento libero. Il guadagno ottico si verifica dopo che la densità elettronica supera la cosiddetta densità di Mott, tipicamente un livello molto alto di densità dell'ordine di trilioni di particelle per centimetro quadrato. Una densità così elevata richiede un alto livello di iniezione di corrente elettrica, o energia elettrica. La maggior parte dei nostri attuali laser a semiconduttore che alimentano il nostro Internet, Centri dati, e molte altre applicazioni sono basate su tali semiconduttori.

Esplorando la relazione tra l'occorrenza del guadagno ottico e la transizione di Mott, soprattutto la ricerca di nuovi meccanismi di guadagno ottico a basse densità prima della transizione di Mott non è quindi solo una questione di fondamentale importanza nella fisica dello stato solido, è anche importante nelle applicazioni dei dispositivi in ​​fotonica. Se il guadagno ottico può essere ottenuto con complessi eccitonici al di sotto della transizione di Mott a bassi livelli di potenza assorbita, futuri amplificatori e laser potrebbero essere realizzati che richiederebbero una piccola quantità di potenza di azionamento. Questo è ovviamente di grande interesse attuale per i dispositivi fotonici ad alta efficienza energetica o la fotonica verde. Ma sfortunatamente, tali problemi non potrebbero essere esplorati in modo completo e sistematico in un semiconduttore convenzionale perché gli eccitoni stessi non sono molto stabili e la possibilità di perseguire complessi eccitonici superiori è limitata.

La recente comparsa di materiali a strati atomicamente sottili ha reso possibile e più significativo tale studio. Questi materiali comprendono solo pochi strati di atomi. A causa della sottigliezza dei materiali, elettroni e lacune si attraggono centinaia di volte più forte che nei semiconduttori convenzionali. Tali forti interazioni di carica rendono eccitoni e trioni molto stabili anche a temperatura ambiente. Questo era il motivo per cui gli autori potevano esplorare un equilibrio così intricato e controllare attentamente la loro conversione reciproca per ottenere un guadagno ottico. Creando eccitoni attraverso il pompaggio ottico di un laser, gli eccitoni formano trioni con una parte di elettroni il cui numero è controllato da una tensione di gate. Quando più elettroni sono nello stato trionico rispetto allo stato elettronico, si verifica una condizione chiamata inversione di popolazione. Possono essere emessi più fotoni che assorbiti, portando a un processo chiamato emissione stimolata e amplificazione ottica o guadagno.

"Un'altra motivazione per questo studio è stata l'apparente contraddizione tra alcuni esperimenti di alto profilo sul campo negli ultimi anni. Ci sono stati alcuni esperimenti che riportano dimostrazioni laser utilizzando materiali 2-D come mezzo di guadagno. I laser richiedevano un livello di pompaggio molto basso quando gli eccitoni sono il meccanismo di emissione della luce dominante, ma l'unico esperimento esistente che ha dimostrato l'esistenza del guadagno ottico in tali materiali richiede un livello di pompaggio molto più elevato, " ha detto Ning, chi guida il gruppo di ricerca. Ning ha notato che le densità negli esperimenti laser sono inferiori alla densità di Mott da 3 a 5 ordini di grandezza, mentre il guadagno ottico è stato osservato solo dopo la transizione di Mott. Poiché il funzionamento del laser richiede l'esistenza di guadagno ottico, Ning ha chiesto, "Da dove viene il guadagno ottico in quegli esperimenti laser?" Oppure "Quali sono i meccanismi di guadagno ottico a un livello così basso di pompaggio ottico? O più in generale, "Esistono nuovi possibili meccanismi di guadagno prima della transizione Mott?" Queste domande hanno portato alla loro indagine sperimentale iniziata diversi anni fa.

"Abbiamo perseguito sistematicamente questo problema sperimentalmente per 2-3 anni. Abbiamo fatto rimbalzare un raggio di luce di un ampio spettro sul ditelluride di molibdeno 2-D e abbiamo osservato attentamente se il segnale riflesso è più grande o più piccolo del raggio incidente per cercare qualsiasi segno di amplificazione della luce, " ha detto Hao Sun, che è uno dei principali autori di questo articolo responsabile della misurazione ottica.

"Per essere sicuro, un simile esperimento di guadagno di trioni è stato condotto negli anni '90 con semiconduttori convenzionali, " notò Ning. "Ma gli eccitoni e i trioni erano così instabili, sia l'osservazione sperimentale che, specialmente, l'utilizzo di questo guadagno ottico per dispositivi reali è estremamente difficile." "Poiché gli eccitoni e i trioni sono molto più stabili nei materiali 2-D, ci sono nuove opportunità per creare dispositivi del mondo reale da questa osservazione, " fece notare Ning. "Per il momento, questo risultato appartiene alla ricerca di fisica di base, ma come per tutte le osservazioni importanti sui semiconduttori, potrebbero eventualmente essere applicati alla realizzazione di veri laser, " ha commentato Ning.