En su última línea de investigación, Cun-Zheng Ning, profesor de ingeniería eléctrica en las Escuelas de Ingeniería Ira A. Fulton de la Universidad Estatal de Arizona, y sus colegas exploraron el intrincado equilibrio de la física que rige la forma en que los electrones, los agujeros y las excitacionesy los triones coexisten y se convierten mutuamente para producir ganancia óptica. Sus resultados, dirigidos por el profesor asociado de la Universidad de Tsinghua, Hao Sun, se publicaron recientemente en el Naturaleza publicación Luz: ciencia y aplicaciones .
"Mientras estudiaba los procesos ópticos fundamentales de cómo un trión puede emitir un fotón [una partícula de luz] o absorber un fotón, descubrimos que la ganancia óptica puede existir cuando tenemos suficiente población de triones", dice Ning. "Además, elEl valor umbral para la existencia de dicha ganancia óptica puede ser arbitrariamente pequeño, solo limitado por nuestro sistema de medición ".
En el experimento de Ning, el equipo midió la ganancia óptica en niveles de densidad de cuatro a cinco órdenes de magnitud, de 10,000 a 100,000 veces, más pequeños que los de los semiconductores convencionales que alimentan dispositivos optoelectrónicos, como escáneres de códigos de barras y láseres utilizados en herramientas de telecomunicaciones.
Ning se ha visto impulsado a hacer tal descubrimiento por su interés en un fenómeno llamado la transición de Mott, un misterio no resuelto en física sobre cómo los excitones forman triones y conducen la electricidad en materiales semiconductores hasta el punto en que alcanzan la densidad de Mott el puntoen el que un semiconductor cambia de un aislante a un conductor y primero se produce ganancia óptica.
Pero la energía eléctrica necesaria para lograr la transición y densidad de Mott es mucho más de lo que es deseable para el futuro de la computación eficiente. Sin nuevas capacidades de nanolaser de baja potencia como las que está investigando, Ning dice que se necesitaría una pequeña estación de energíapara operar una supercomputadora.
"Si se puede lograr ganancia óptica con complejos excitónicos por debajo de la transición Mott, a bajos niveles de entrada de potencia, se podrían fabricar futuros amplificadores y láseres que requerirían una pequeña cantidad de potencia de conducción", dice Ning.
Este desarrollo podría cambiar las reglas del juego para dispositivos fotónicos de bajo consumo de energía o dispositivos basados en luz, y proporcionar una alternativa a los semiconductores convencionales, que tienen una capacidad limitada para crear y mantener suficientes excitones.
Como Ning observó en experimentos anteriores con materiales 2D, es posible lograr una ganancia óptica antes de lo que se creía anteriormente. Ahora él y su equipo han descubierto un mecanismo que podría hacerlo funcionar.
"Debido a la delgadez de los materiales, los electrones y los agujeros se atraen entre sí cientos de veces más fuertes que en los semiconductores convencionales", dice Ning. "Estas fuertes interacciones de carga hacen que los excitones y triones sean muy estables incluso a temperatura ambiente".
Esto significa que el equipo de investigación podría explorar el equilibrio de los electrones, agujeros, excitones y triones, así como controlar su conversión para lograr una ganancia óptica a niveles muy bajos de densidad.
"Cuando hay más electrones en el estado trión que su estado original de electrones, se produce una condición llamada inversión de población", dice Ning. "Se pueden emitir más fotones que los absorbidos, lo que lleva a un proceso llamado emisión estimulada y amplificación o ganancia óptica."
RESOLVIENDO MISTERIOS DE NANOLASER, UN PASO DE CIENCIA FUNDAMENTAL A LA VEZ
Si bien este nuevo descubrimiento agregó una pieza al rompecabezas de transición de Mott, descubrió un nuevo mecanismo que los investigadores pueden explotar para crear nanolasers semiconductores 2D de baja potencia; Ning dice que aún no están seguros de si este es el mismo mecanismo quellevó a la producción de sus nanolasers 2017.
El trabajo todavía está en curso para resolver los misterios restantes.
Ning experimentos similares de triones se llevaron a cabo en la década de 1990 con semiconductores convencionales, dice Ning, "pero los excitones y triones eran tan inestables, tanto la observación experimental como, especialmente, la utilización de este mecanismo de ganancia óptica para dispositivos reales son extremadamente difíciles".
"Dado que los excitones y triones son mucho más estables en los materiales 2D, existen nuevas oportunidades para hacer dispositivos del mundo real a partir de estas observaciones"
Este interesante desarrollo de Ning y su equipo de investigación está solo en el nivel científico fundamental. Sin embargo, la investigación fundamental puede llevar a cosas emocionantes.
"La ciencia básica es un esfuerzo mundial y todos se benefician si las mejores personas de todas partes pueden participar. ASU ha proporcionado un entorno abierto y gratuito, especialmente para colaboraciones internacionales con los principales grupos de investigación en China, Alemania, Japón y en todo el mundo", Ningdice.
Su equipo tiene más trabajo por hacer para estudiar cómo funciona este nuevo mecanismo de ganancia óptica a diferentes temperaturas, y cómo usarlo para crear los nanolasers a propósito.
"El siguiente paso es diseñar láseres que puedan operar específicamente utilizando los nuevos mecanismos de ganancia óptica", dice Ning.
Con los fundamentos físicos establecidos, eventualmente podrían aplicarse para crear nuevos nanolasers que podrían cambiar el futuro de la supercomputación y los centros de datos.
"El sueño a largo plazo es combinar láseres y dispositivos electrónicos en una sola plataforma integrada, para permitir una supercomputadora o centro de datos en un chip", dice Ning. "Para tales aplicaciones futuras, nuestros láseres semiconductores actuales son aún demasiado grandespara integrarse con dispositivos electrónicos "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Arizona . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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