Le gain optique est une condition préalable à l'amplification du signal dans un amplificateur optique ou un laser. Il nécessite généralement des niveaux élevés d'injection de courant dans les semi-conducteurs conventionnels. En explorant un équilibre et une conversion complexes d'excitons et de trions dans des matériaux bidimensionnels atomiquement minces, les auteurs ont découvert un nouveau mécanisme de gain qui nécessite une puissance d'entrée inférieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des semi-conducteurs conventionnels. Ce nouveau mécanisme de gain pourrait potentiellement permettre de fabriquer des lasers avec une puissance d'entrée extrêmement faible.

Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et applications , des chercheurs de l'université Tsinghua et de l'université d'État de l'Arizona rapportent leurs résultats sur l'étude de la physique fondamentale des excitons, trions, et complexes associés. Les excitons sont des quasi-particules formées par un électron et un vide appelé trou laissé lorsqu'un électron est excité dans un semi-conducteur. Un tel exciton peut être chargé, pour former un soi-disant trion lorsqu'il se lie davantage avec un autre électron ou un trou. L'équipe a découvert un procédé intéressant qui donne un gain optique, une condition préalable à l'amplification du signal ou au laser dans un semi-conducteur, en explorant l'équilibre complexe et la conversion des excitons, électrons, des trous, et trions. Il est intéressant de noter que le niveau de puissance d'entrée requis pour réaliser un tel gain optique est extrêmement faible :4 à 5 ordres de grandeur inférieur à celui d'un semi-conducteur conventionnel tel que GaAs ou InP, qui sont les matériaux de cheval de bataille pour les dispositifs optoélectroniques actuellement.

La distribution de ces complexes liés aux excitons et leur conversion mutuelle dynamique sont au cœur même de la physique du solide depuis de nombreuses décennies. Il existe encore des problèmes non résolus quant à la façon dont ces excitons forment des particules plus complexes et finissent par se transformer en une phase conductrice ionisée de particules chargées à mesure que nous en introduisons de plus en plus dans un semi-conducteur. Ce processus est appelé la transition de Mott, après Sir Nevill Francis Mott, le célèbre physicien britannique lauréat du prix Nobel. La théorie conventionnelle de l'apparition du gain optique dit que les excitons libres ne peuvent pas produire de gain optique avant la transition de Mott dans un semi-conducteur avec des charges en mouvement libre. Le gain optique se produit après que la densité électronique dépasse la densité dite de Mott, typiquement un niveau très élevé de densité de l'ordre de trillions de particules par centimètre carré. Une telle densité extrêmement élevée nécessite un niveau élevé d'injection de courant électrique, ou l'alimentation électrique. La plupart de nos lasers à semi-conducteurs actuels qui alimentent notre Internet, centres de données, et de nombreuses autres applications sont basées sur de tels semi-conducteurs.

En explorant la relation entre l'apparition du gain optique et la transition de Mott, en particulier la recherche de nouveaux mécanismes de gain optique aux faibles densités avant la transition de Mott n'est donc pas seulement une question d'importance fondamentale en physique du solide, il est également important dans les applications de dispositifs en photonique. Si le gain optique peut être obtenu avec des complexes excitoniques en dessous de la transition de Mott à de faibles niveaux de puissance d'entrée, de futurs amplificateurs et lasers pourraient être fabriqués qui nécessiteraient une petite quantité de puissance d'entraînement. Ceci est évidemment d'un grand intérêt actuel pour les dispositifs photoniques économes en énergie ou photonique verte. Mais malheureusement, de tels problèmes n'ont pas pu être entièrement et systématiquement explorés dans un semi-conducteur conventionnel car les excitons eux-mêmes ne sont pas très stables et les chances de poursuivre des complexes excitoniques supérieurs sont limitées.

L'émergence récente de matériaux en couches atomiquement minces a rendu une telle étude possible et plus significative. Ces matériaux ne comportent que quelques couches d'atomes. En raison de la finesse des matériaux, les électrons et les trous s'attirent des centaines de fois plus fort que dans les semi-conducteurs conventionnels. De telles interactions de charges fortes rendent les excitons et les trions très stables même à température ambiante. C'est la raison pour laquelle les auteurs ont pu explorer un équilibre aussi complexe et contrôler soigneusement leur conversion mutuelle pour obtenir un gain optique. En créant des excitons par pompage optique par un laser, les excitons forment des trions avec une partie des électrons dont le nombre est contrôlé par une tension de grille. Lorsque plus d'électrons sont dans l'état trion que dans l'état électronique, une condition appelée inversion de population se produit. Plus de photons peuvent être émis qu'absorbés, conduisant à un processus appelé émission stimulée et amplification ou gain optique.

"Une autre motivation pour cette étude était la contradiction apparente entre quelques expériences de haut niveau dans le domaine ces dernières années. Il y a eu quelques expériences rapportant des démonstrations de laser utilisant des matériaux 2-D comme support de gain. Ces lasers nécessitaient un très faible niveau de pompage quand les excitons sont le mécanisme d'émission de lumière dominant.Mais la seule expérience existante qui a prouvé l'existence d'un gain optique dans de tels matériaux nécessite un niveau de pompage beaucoup plus élevé, " dit Ning, qui dirige l'équipe de recherche. Ning a remarqué que les densités dans les expériences laser sont inférieures à la densité de Mott de 3 à 5 ordres de grandeur, tandis que le gain optique n'a été observé qu'après la transition de Mott. Étant donné que le fonctionnement du laser nécessite l'existence d'un gain optique, Ning a demandé, « D'où vient le gain optique dans ces expériences laser ? » Ou "Quels sont les mécanismes de gain optique à un niveau de pompage optique aussi bas ? Ou plus généralement, « Y a-t-il de nouveaux mécanismes de gain possibles avant la transition Mott ? » Ces questions ont conduit à leur enquête expérimentale qui a commencé il y a plusieurs années.

"Nous avons systématiquement poursuivi ce problème expérimentalement pendant 2-3 ans. Nous avons fait rebondir un faisceau de lumière d'un large spectre sur du ditellurure de molybdène 2-D et surveillons attentivement si le signal réfléchi est plus grand ou plus petit que le faisceau incident pour rechercher un signe d'amplification de la lumière, " dit Hao Sun, qui est l'auteur principal de cet article en charge de la mesure optique.

"Être sûr, une expérience similaire de gain de trions a été menée dans les années 1990 avec des semi-conducteurs conventionnels, " remarqua Ning. " Mais les excitons et les trions étaient si instables, à la fois l'observation expérimentale et, surtout, l'utilisation de ce gain optique pour des appareils réels est extrêmement difficile." "Comme les excitons et les trions sont beaucoup plus stables dans les matériaux 2-D, il y a de nouvelles opportunités pour faire des appareils du monde réel à partir de cette observation, " a souligné Ning. " Pour le moment, ce résultat appartient à la recherche en physique fondamentale, mais comme pour toutes les observations importantes dans les semi-conducteurs, ils pourraient éventuellement être appliqués à la fabrication de vrais lasers, " a commenté Ning.