Cun-Zheng Ning, professeur de génie électrique à l'Ira A. Fulton Schools of Engineering de l'Arizona State University, et des collaborateurs de l'Université Tsinghua en Chine ont découvert un processus de physique qui permet de produire des nanolasers de faible puissance dans des matériaux semi-conducteurs 2D. Comprendre la physique derrière les lasers à l'échelle nanométrique et la façon dont ils interagissent avec les semi-conducteurs peut avoir des implications majeures pour les canaux de communication à grande vitesse pour les superordinateurs et les centres de données. Crédit :Rhonda Hitchcock-Mast/ASU
Dans sa dernière ligne de recherche, Cun-Zheng Ning, professeur de génie électrique à l'Ira A. Fulton Schools of Engineering de l'Arizona State University, et ses pairs ont exploré l'équilibre complexe de la physique qui régit la façon dont les électrons, des trous, les excitons et les trions coexistent et se convertissent mutuellement pour produire un gain optique. leurs résultats, dirigé par Hao Sun, professeur agrégé de l'Université Tsinghua, ont été récemment publiés dans le La nature publication Lumière :science et applications .
"En étudiant les processus optiques fondamentaux de la façon dont un trion peut émettre un photon [une particule de lumière] ou absorber un photon, nous avons découvert que le gain optique peut exister lorsque nous avons une population de trions suffisante, " Ning dit. " De plus, la valeur seuil pour l'existence d'un tel gain optique peut être arbitrairement petite, seulement limité par notre système de mesure."
Dans l'expérience de Ning, l'équipe a mesuré le gain optique à des niveaux de densité de quatre à cinq ordres de grandeur—10, 000 à 100, 000 fois plus petits que ceux des semi-conducteurs conventionnels qui alimentent les dispositifs optoélectroniques, comme les scanners de codes-barres et les lasers utilisés dans les outils de télécommunications.
Ning a été poussé à faire une telle découverte par son intérêt pour un phénomène appelé la transition de Mott, un mystère non résolu en physique sur la façon dont les excitons forment des trions et conduisent l'électricité dans les matériaux semi-conducteurs au point qu'ils atteignent la densité de Mott (le point auquel un semi-conducteur passe d'un isolant à un conducteur et où le gain optique se produit pour la première fois).
Mais la puissance électrique nécessaire pour atteindre la transition et la densité de Mott est bien plus que ce qui est souhaitable pour l'avenir de l'informatique efficace. Sans nouvelles capacités nanolaser de faible puissance comme celles qu'il recherche, Ning dit qu'il faudrait une petite centrale électrique pour faire fonctionner un superordinateur.
"Si le gain optique peut être atteint avec des complexes excitoniques en dessous de la transition de Mott, à de faibles niveaux de puissance absorbée, de futurs amplificateurs et lasers pourraient être fabriqués qui nécessiteraient une petite quantité de puissance d'entraînement, " dit Ning.
Ce développement pourrait changer la donne pour la photonique à haut rendement énergétique, ou des appareils basés sur la lumière, et fournir une alternative aux semi-conducteurs conventionnels, qui sont limités dans leur capacité à créer et à maintenir suffisamment d'excitons.
Comme Ning l'a observé dans des expériences précédentes avec des matériaux 2D, il est possible d'obtenir un gain optique plus tôt qu'on ne le croyait auparavant. Maintenant, lui et son équipe ont découvert un mécanisme qui pourrait le faire fonctionner.
« 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, ", dit Ning. "De telles interactions de charges fortes rendent les excitons et les trions très stables, même à température ambiante."
Cela signifie que l'équipe de recherche pourrait explorer l'équilibre des électrons, des trous, excitons et trions ainsi que contrôler leur conversion pour obtenir un gain optique à de très faibles niveaux de densité.
"Lorsque plus d'électrons sont dans l'état trion que dans leur état électronique d'origine, une condition appelée inversion de population se produit, " Ning dit. " Plus de photons peuvent être émis qu'absorbés, conduisant à un processus appelé émission stimulée et amplification ou gain optique."
Dans les recherches menées par Cun-Zheng Ning et ses collaborateurs de l'ASU et de l'Université Tsinghua, une seule couche de matériau 2D a été placée sur un substrat soigneusement conçu avec de l'or comme porte arrière pour contrôler le nombre d'électrons dans le matériau. Un autre laser pompe le matériau 2D pour créer des excitons, dont certains forment des trions avec les électrons préexistants. La lumière réfléchie est surveillée pour trouver la signature de l'amplification. Crédit :Cun-Zheng Ning
Résoudre les mystères du nanolaser, une étape de la science fondamentale à la fois
Alors que cette nouvelle découverte a ajouté une pièce au puzzle de la transition de Mott - elle a découvert un nouveau mécanisme que les chercheurs peuvent exploiter pour créer des nanolasers semi-conducteurs 2-D de faible puissance - Ning dit qu'ils ne sont pas encore sûrs s'il s'agit du même mécanisme qui a conduit à la production de leurs nanolasers 2017.
Le travail est toujours en cours pour résoudre les mystères restants.
Des expériences de trions similaires ont été menées dans les années 1990 avec des semi-conducteurs conventionnels, Ning dit, "mais les excitons et les trions étaient si instables, à la fois l'observation expérimentale et, surtout, l'utilisation de ce mécanisme de gain optique pour des appareils réels est extrêmement difficile."
« Comme les excitons et les trions sont beaucoup plus stables dans les matériaux 2D, il existe de nouvelles opportunités pour créer des appareils du monde réel à partir de ces observations. »
Ce développement intéressant de Ning et de son équipe de recherche n'est qu'au niveau de la science fondamentale. Cependant, la recherche fondamentale peut mener à des choses passionnantes.
"La science fondamentale est une entreprise mondiale et tout le monde en profite si les meilleures personnes de partout peuvent être impliquées. ASU a fourni un environnement ouvert et gratuit, en particulier pour les collaborations internationales avec les meilleurs groupes de recherche en Chine, Allemagne, Japon et dans le monde, " dit Ning.
Son équipe a encore du travail à faire pour étudier comment ce nouveau mécanisme de gain optique fonctionne à différentes températures et comment l'utiliser pour créer les nanolasers à dessein.
"La prochaine étape est de concevoir des lasers capables de fonctionner spécifiquement en utilisant les nouveaux mécanismes de gain optique, " dit Ning.
Avec les bases de la physique posées, ils pourraient éventuellement être appliqués pour créer de nouveaux nanolasers qui pourraient changer l'avenir des supercalculateurs et des centres de données.
"Le rêve à long terme est de combiner lasers et appareils électroniques dans une seule plateforme intégrée, pour activer un supercalculateur ou un centre de données sur une puce, " Ning dit. "Pour de telles applications futures, nos lasers à semi-conducteurs actuels sont encore trop gros pour être intégrés à des appareils électroniques."
