在二维材料中新的光学增益机制只需要极低的输入功率

时间:2020-04-06 18:30 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

在二维材料中新的光学增益机制只需要极低的输入功率

光增益是光放大器或激光信号放大的前提条件。它通常需要在传统半导体中注入高水平的电流。通过研究原子厚度的二维材料中激子和介子的复杂平衡和转换,作者发现了一种新的增益机制,它需要的输入功率比传统半导体低几个数量级。这种新的增益机制有可能使激光器的输入功率极低。

在《光科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中,来自清华大学和亚利桑那州立大学的研究人员报告了他们在激子、介子和相关复合物的基础物理研究方面的成果。激子是由电子和电子在半导体中被激发后留下的空穴形成的准粒子。这样的激子可以带电,当它进一步与另一个电子或空穴结合时,就形成了所谓的trion。研究小组通过探索激子、电子、空穴和介子之间复杂的平衡和转换,发现了一个有趣的过程,它提供了光增益,这是半导体中信号放大或激光发射的先决条件。有趣的是,实现这种光学增益所需的输入功率非常低:比传统半导体如砷化镓或InP低4至5个数量级,这是目前光电器件的主要材料。

这些与激子相关的配合物的分布及其动力学相互转换是几十年来固体物理学的核心问题。当我们把越来越多的激子引入半导体时,这些激子是如何形成更复杂的粒子并最终转变成带电粒子的电离导电相的,这个问题仍然没有解决。这个过程被称为莫特转变,以英国著名的诺贝尔物理学奖得主内维尔?弗朗西斯?莫特爵士(Sir Nevill Francis Mott)的名字命名。关于光学增益的传统理论认为,自由激子在具有自由移动电荷的半导体中的莫特跃迁之前不能产生光学增益。当电子密度超过所谓的莫特密度(Mott density)之后,就会产生光学增益。莫特密度通常是每平方厘米有数万亿粒子的一个非常高的密度级别。这样一个极高的密度需要一个高水平的电流注入,或电力。我们当前的大多数为互联网、数据中心和许多其他应用提供能量的半导体激光器都是基于这种半导体的。

探索光学增益的发生与Mott跃迁之间的关系,特别是在Mott跃迁之前寻找低密度光学增益的新机制,不仅是固体物理学的基础问题,而且在光子学的器件应用中也具有重要意义。如果在低功率输入下,激子配合物的Mott跃迁低于光增益,未来的放大器和激光器将需要少量的驱动功率。这对高效节能的光子器件或绿色光子学具有重要的现实意义。但不幸的是,由于激子本身不是很稳定,追求更高的激子复合物的机会有限,这些问题在传统半导体中无法得到充分和系统的研究。

最近原子薄层材料的出现使这种研究成为可能,也更有意义。这些材料只由几层原子组成。由于材料的厚度,电子和空穴相互吸引的强度是传统半导体的数百倍。这种强电荷相互作用使激子和介子即使在室温下也非常稳定。这就是为什么作者可以探索这样一个复杂的平衡,并仔细控制他们的相互转换,以实现光学增益的原因。激子通过激光的光抽运产生激子,激子与部分电子形成三位一体,这些电子的数目由栅极电压控制。当处于trion态的电子比处于电子态的多时,就会发生一种称为粒子数反转的情况。发射的光子比吸收的光子多,这就导致了一个被称为受激发射和光学放大或增益的过程。

“这项研究的另一个动机是,近年来该领域一些高调的实验之间存在明显的矛盾。已经有一些实验报告激光演示使用2-D材料作为增益介质。当激子是主要的光发射机制时,激光需要非常低的抽运量。但是目前唯一能证明这种材料中存在光学增益的实验需要更高水平的泵浦。Ning注意到激光实验中的密度比Mott密度小3到5个数量级,而光学增益只有在Mott跃迁后才能观察到。由于激光操作需要光增益的存在,宁问道:“在那些激光实验中,光增益从何而来?”或者“在如此低水平的光抽运下,光增益的机制是什么?”或者更一般地说,“在莫特转移之前,有没有可能出现新的增益机制?”这些问题导致了他们几年前开始的实验研究。

“我们系统地研究这个问题已经有2-3年了。我们被一束光广泛的二维钼ditelluride和仔细观察如果反射信号大于或小于入射电子束寻找任何光放大的迹象,”郝太阳说,他是这篇论文的主要作者负责光学测量。

Ning说:“可以肯定的是,上世纪90年代在传统半导体上也进行过类似的trion增益实验。”“但激子和介子是如此不稳定,无论是实验观察,还是将这种光学增益应用于实际设备,都是极其困难的。”宁指出:“由于激子和介子在二维材料中更稳定,因此有新的机会利用这一观察制造出真实世界的器件。”宁评论道:“目前,这个结果属于基础物理研究,但是对于半导体中的所有重要观测,它们最终可以用于制造真正的激光。”

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