Se ha dado un paso importante hacia los dispositivos fotónicos y optoelectrónicos ultracompactos de próxima generación con la realización de un láser excitónico bidimensional. Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. Berkeley Labincrustado una monocapa de disulfuro de tungsteno en un resonador de microdiscos especial para lograr un láser excitónico brillante en longitudes de onda de luz visible.
"Nuestra observación del láser excitónico de alta calidad de una sola capa molecular de disulfuro de tungsteno marca un paso importante hacia la optoelectrónica bidimensional en chip para aplicaciones de comunicación y computación ópticas de alto rendimiento", dice Xiang Zhang, director de Berkeley Lab'sDivisión de Ciencias de Materiales y el líder de este estudio.
Zhang, quien también ocupa la Cátedra Dotada Ernest S. Kuh en la Universidad de California UC Berkeley y es miembro del Instituto Kavli Energy NanoSciences en Berkeley Kavli ENSI, es el autor correspondiente de un artículo que describe esta investigaciónen el diario Fotónica de la naturaleza . El artículo se titula "Láser excitónico monocapa". Los autores principales son Yu Ye y Zi Jing Wong, miembros del grupo de investigación de Zhang, además de Xiufang Lu, Xingjie Ni, Hanyu Zhu, Xianhui Chen y Yuan Wang.
Entre la clase de materiales de la que más se habla en el mundo de la nanotecnología en la actualidad se encuentran los dichoslcogenuros de metal de transición bidimensionales 2D TMDC. Estos semiconductores 2D ofrecen una eficiencia energética superior y conducen electrones mucho más rápido que el silicio. Además, a diferencia del grafeno,El otro semiconductor 2D altamente promocionado, los TMDC tienen bandas de banda naturales que permiten que su conductancia eléctrica se active y desactive, lo que los hace más listos para el dispositivo que el grafeno. El disulfuro de tungsteno en una sola capa molecular es ampliamente considerado como uno de los más prometedores.TMDC para aplicaciones fotónicas y optoelectrónicas. Sin embargo, hasta ahora, la emisión de luz coherente, o láser, considerada esencial para aplicaciones "en chip", no se había realizado en este material.
"Los TMDC han mostrado interacciones de materia ligera excepcionalmente fuertes que resultan en propiedades excitónicas extraordinarias", dice Zhang. "Estas propiedades surgen del confinamiento cuántico y el efecto de simetría de cristal en la estructura de la banda electrónica a medida que el material se diluye en una monocapa.Sin embargo, para el láser 2D, se requiere el diseño y la fabricación de microcavidades que proporcionen un factor de confinamiento de modo óptico alto y un factor de alta calidad o Q ".
En un estudio anterior, Zhang y su grupo de investigación habían desarrollado una "microcavidad de galería susurrante" para plasmones, ondas electromagnéticas que ruedan por las superficies de los metales. Basado en el principio detrás de las galerías susurrantes, donde las palabras se pronuncian suavemente debajo de un techo abovedadose puede escuchar claramente en el lado opuesto de la cámara: esta cavidad metálica de tamaño micro para plasmones fortaleció y mejoró enormemente el factor Q de las emisiones de luz. En este nuevo estudio, Zhang y su grupo pudieron adaptar esta tecnología de microcavidad a partir de plasmonesa excitones: electrones fotoexcitados / pares de agujeros dentro de una sola capa de moléculas.
"Para nuestro láser excitónico, dejamos caer el revestimiento metálico y diseñamos un resonador de microdiscos que admite un modo de galería de susurro dieléctrico en lugar de un modo plasmónico, y nos da un factor Q alto con bajo consumo de energía", dice el co-autor principal Ye"Cuando una monocapa de disulfuro de tungsteno, que sirve como medio de ganancia, se intercala entre las dos capas dieléctricas del resonador, creamos el potencial para el láser de umbral ultrabajo".
Además de sus aplicaciones fotónicas y optoelectrónicas, esta tecnología láser excitónica 2D también tiene potencial para aplicaciones valleytronic, en las que la información digital se codifica en el giro y el momento de un electrón que se mueve a través de una red cristalina como una onda con picos y valles de energíaValleytronics es visto como una alternativa a la spintrónica para la computación cuántica.
"Los TMDC como el disulfuro de tungsteno proporcionan un acceso único a los grados de libertad de los espines y los valles", dice el coautor Wong. "La excitación selectiva de la población portadora en un conjunto de dos valles distintos puede conducir aún más a la duración del valle confinado, allanando el camino para láseres polarizados circularmente fácilmente sintonizables. La demanda de fuentes de luz coherentes polarizadas circularmente es alta, desde pantallas tridimensionales hasta fuentes de espín efectivas en espintrónica y portadores de información en computación cuántica ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Original escrito por Lynn Yarris. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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