Cun-Zheng Ning, un professore di ingegneria elettrica nelle Ira A. Fulton Schools of Engineering dell'Arizona State University, e i collaboratori della Tsinghua University in Cina hanno scoperto un processo fisico che consente di produrre nanolaser a bassa potenza in materiali semiconduttori 2D. Comprendere la fisica alla base dei laser su scala nanometrica e il modo in cui interagiscono con i semiconduttori può avere importanti implicazioni per i canali di comunicazione ad alta velocità per supercomputer e data center. Credito:Rhonda Hitchcock-Mast/ASU
Nella sua ultima linea di ricerca, Cun-Zheng Ning, un professore di ingegneria elettrica nelle Ira A. Fulton Schools of Engineering dell'Arizona State University, e i suoi colleghi hanno esplorato l'intricato equilibrio della fisica che governa il modo in cui gli elettroni, buchi, eccitoni e trioni coesistono e si convertono reciprocamente per produrre guadagno ottico. I loro risultati, guidato dal Professore Associato della Tsinghua University Hao Sun, sono stati recentemente pubblicati in Natura pubblicazione Luce:scienza e applicazioni .
"Durante lo studio dei processi ottici fondamentali di come un trione può emettere un fotone [una particella di luce] o assorbire un fotone, abbiamo scoperto che il guadagno ottico può esistere quando abbiamo una popolazione di trioni sufficiente, "Ning dice. "Inoltre, il valore di soglia per l'esistenza di tale guadagno ottico può essere arbitrariamente piccolo, limitato solo dal nostro sistema di misurazione."
Nell'esperimento di Ning, il team ha misurato il guadagno ottico a livelli di densità da quattro a cinque ordini di grandezza:10, da 000 a 100, 000 volte, più piccoli di quelli dei semiconduttori convenzionali che alimentano i dispositivi optoelettronici, come scanner di codici a barre e laser utilizzati negli strumenti di telecomunicazione.
Ning è stato spinto a fare una tale scoperta dal suo interesse per un fenomeno chiamato transizione di Mott, un mistero irrisolto in fisica su come gli eccitoni formino trioni e conducano elettricità nei materiali semiconduttori fino al punto in cui raggiungono la densità di Mott (il punto in cui un semiconduttore cambia da isolante a conduttore e si verifica prima il guadagno ottico).
Ma l'energia elettrica necessaria per ottenere la transizione e la densità di Mott è molto più di quanto auspicabile per il futuro dell'informatica efficiente. Senza nuove capacità di nanolaser a bassa potenza come quelle che sta studiando, Ning dice che ci vorrebbe una piccola centrale elettrica per far funzionare un supercomputer.
"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, "dice Ning.
Questo sviluppo potrebbe cambiare le regole del gioco per la fotonica efficiente dal punto di vista energetico, o dispositivi basati sulla luce, e fornire un'alternativa ai semiconduttori convenzionali, che sono limitati nella loro capacità di creare e mantenere un numero sufficiente di eccitoni.
Come Ning ha osservato in precedenti esperimenti con materiali 2-D, è possibile ottenere un guadagno ottico prima di quanto si credesse in precedenza. Ora lui e il suo team hanno scoperto un meccanismo che potrebbe farlo funzionare.
"A causa della sottigliezza dei materiali, elettroni e lacune si attraggono centinaia di volte più forte che nei semiconduttori convenzionali, "Ning dice. "Interazioni di carica così forti rendono eccitoni e trioni molto stabili anche a temperatura ambiente".
Ciò significa che il team di ricerca potrebbe esplorare l'equilibrio degli elettroni, buchi, eccitoni e trioni e controllano la loro conversione per ottenere un guadagno ottico a livelli di densità molto bassi.
"Quando più elettroni sono nello stato di trione rispetto al loro stato di elettroni originale, si verifica una condizione chiamata inversione di popolazione, " dice Ning. "Si possono emettere più fotoni che assorbiti, portando a un processo chiamato emissione stimolata e amplificazione ottica o guadagno."
Nella ricerca condotta da Cun-Zheng Ning e dai suoi collaboratori ASU e Tsinghua University, un singolo strato di materiale 2D è stato posizionato su un substrato accuratamente progettato con l'oro come back-gate per controllare il numero di elettroni nel materiale. Un altro laser pompa il materiale 2D per creare eccitoni, alcuni dei quali formano trioni con gli elettroni preesistenti. La luce riflessa viene monitorata per trovare la firma dell'amplificazione. Credito:Cun-Zheng Ning
Risolvere i misteri del nanolaser, un passo alla volta della scienza fondamentale
Mentre questa nuova scoperta ha aggiunto un pezzo al puzzle di transizione di Mott - ha scoperto un nuovo meccanismo che i ricercatori possono sfruttare per creare nanolaser a semiconduttore 2-D a bassa potenza - Ning dice che non sono ancora sicuri se questo è lo stesso meccanismo che ha portato a la produzione dei loro nanolaser 2017.
Il lavoro è ancora in corso per risolvere i misteri rimanenti.
Simili esperimenti sui trioni sono stati condotti negli anni '90 con semiconduttori convenzionali, Ning dice, "ma gli eccitoni e i trioni erano così instabili, sia l'osservazione sperimentale che, specialmente, l'utilizzo di questo meccanismo di guadagno ottico per dispositivi reali è estremamente difficile."
"Dal momento che gli eccitoni e i trioni sono molto più stabili nei materiali 2-D, ci sono nuove opportunità per creare dispositivi del mondo reale da queste osservazioni".
Questo interessante sviluppo di Ning e del suo team di ricerca è solo a livello scientifico fondamentale. Però, la ricerca fondamentale può portare a cose entusiasmanti.
"La scienza di base è uno sforzo mondiale e tutti ne traggono beneficio se possono essere coinvolte le persone migliori di tutto il mondo. L'ASU ha fornito un ambiente aperto e libero, soprattutto per le collaborazioni internazionali con i migliori gruppi di ricerca in Cina, Germania, Giappone e nel mondo, "dice Ning.
Il suo team ha ancora molto lavoro da fare per studiare come funziona questo nuovo meccanismo di guadagno ottico a diverse temperature e come usarlo per creare i nanolaser in modo mirato.
"Il prossimo passo è progettare laser che possano funzionare in modo specifico utilizzando i nuovi meccanismi di guadagno ottico, "dice Ning.
Con le basi fisiche gettate, potrebbero eventualmente essere applicati per creare nuovi nanolaser che potrebbero cambiare il futuro del supercalcolo e dei data center.
"Il sogno a lungo termine è combinare laser e dispositivi elettronici in un'unica piattaforma integrata, per abilitare un supercomputer o un data center su un chip, " Ning dice. "Per tali applicazioni future, i nostri attuali laser a semiconduttore sono ancora troppo grandi per essere integrati con dispositivi elettronici."
