O ganho óptico é um pré-requisito para a amplificação do sinal em um amplificador óptico ou laser. Normalmente requer altos níveis de injeção de corrente em semicondutores convencionais. Explorando um equilíbrio complexo e a conversão de excitons e trions em materiais bidimensionais atomicamente finos, os autores encontraram um novo mecanismo de ganho que requer potência de entrada várias ordens de magnitude menor do que em semicondutores convencionais. Esse novo mecanismo de ganho pode permitir que os lasers sejam feitos com uma potência de entrada extremamente baixa.

Em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicações , pesquisadores da Universidade de Tsinghua e da Universidade do Estado do Arizona relatam seus resultados sobre o estudo da física fundamental dos excitons, trions, e complexos relacionados. Excitons são quase-partículas formadas por um elétron e um vazio chamado buraco deixado quando um elétron é excitado em um semicondutor. Esse exciton pode ser carregado, para formar o chamado trion quando ele se liga a outro elétron ou a um buraco. A equipe descobriu um processo interessante que dá ganho óptico, um pré-requisito para amplificação de sinal ou lasing em um semicondutor, explorando o equilíbrio complexo e a conversão de excitons, elétrons, furos, e trions. Curiosamente, o nível necessário de potência de entrada para realizar tal ganho óptico é extremamente baixo:4 a 5 ordens de magnitude menor do que em um semicondutor convencional, como GaAs ou InP, que são os materiais robustos para dispositivos optoeletrônicos atualmente.

A distribuição desses complexos relacionados ao exciton e sua conversão mútua dinâmica estão no cerne da física do estado sólido por muitas décadas. Ainda há questões não resolvidas sobre como esses excitons formam partículas mais complexas e, eventualmente, se transformam em uma fase condutora ionizada de partículas carregadas à medida que introduzimos mais e mais deles em um semicondutor. Este processo é chamado de transição Mott, depois de Sir Nevill Francis Mott, o célebre físico britânico ganhador do Nobel. A teoria convencional para a ocorrência de ganho óptico diz que excitons livres não podem produzir ganho óptico antes da transição de Mott em um semicondutor com cargas que se movem livremente. O ganho óptico ocorre depois que a densidade do elétron excede a chamada densidade de Mott, normalmente, um nível muito alto de densidade da ordem de trilhões de partículas por centímetro quadrado. Essa densidade extremamente alta requer um alto nível de injeção de corrente elétrica, ou energia elétrica. A maioria de nossos lasers semicondutores atuais que alimentam nossa internet, centros de dados, e muitas outras aplicações são baseadas em tais semicondutores.

Explorando a relação entre a ocorrência de ganho óptico e transição de Mott, especialmente a busca por novos mecanismos de ganho óptico em baixas densidades antes da transição de Mott, portanto, não é apenas uma questão de fundamental importância na física do estado sólido, também é importante em aplicações de dispositivos em fotônica. Se o ganho óptico pode ser alcançado com complexos excitônicos abaixo da transição de Mott em níveis baixos de entrada de energia, futuros amplificadores e lasers poderiam ser feitos, o que exigiria uma pequena quantidade de força motriz. Obviamente, isso é de grande interesse atual para dispositivos fotônicos com eficiência energética ou fotônica verde. Mas infelizmente, tais questões não poderiam ser exploradas completa e sistematicamente em um semicondutor convencional porque os próprios excitons não são muito estáveis ​​e a chance de se buscar complexos excitônicos superiores é limitada.

O recente surgimento de materiais de camadas finas atomicamente tornou esse estudo possível e mais significativo. Esses materiais compreendem apenas algumas camadas de átomos. Por causa da finura dos materiais, elétrons e lacunas se atraem centenas de vezes mais fortes do que em semicondutores convencionais. Essas fortes interações de carga tornam os excitons e trions muito estáveis, mesmo à temperatura ambiente. Esta foi a razão pela qual os autores puderam explorar um equilíbrio tão intrincado e controlar cuidadosamente sua conversão mútua para obter ganho óptico. Ao criar excitons por meio de bombeamento óptico de laser, excitons formam trions com parte dos elétrons cujo número é controlado por uma voltagem de porta. Quando mais elétrons estão no estado de trion do que no estado de elétron, ocorre uma condição chamada inversão populacional. Mais fótons podem ser emitidos do que absorvidos, levando a um processo denominado emissão estimulada e amplificação ou ganho óptico.

"Outra motivação para este estudo foi a aparente contradição entre alguns experimentos de alto perfil no campo nos últimos anos. Houve alguns experimentos relatando demonstrações de laser usando materiais 2-D como meio de ganho. Os lasers exigiam um nível muito baixo de bombeamento quando excitons são mecanismos de emissão de luz dominante. Mas o único experimento existente que provou a existência de ganho óptico em tais materiais requer um nível muito mais alto de bombeamento, "disse Ning, quem lidera a equipe de pesquisa. Ning notou que as densidades nos experimentos de laser são menores do que a densidade de Mott em 3 a 5 ordens de magnitude, enquanto o ganho óptico só foi observado após a transição de Mott. Uma vez que a operação do laser requer a existência de ganho óptico, Ning perguntou, "De onde vem o ganho óptico nesses experimentos de laser?" Ou "Quais são os mecanismos de ganho óptico em um nível tão baixo de bombeamento óptico? Ou, de forma mais geral, "Existem possíveis novos mecanismos de ganho antes da transição de Mott?" Essas questões levaram à investigação experimental que começou há vários anos.

"Temos buscado sistematicamente esse problema experimentalmente por 2-3 anos. Nós refletimos um feixe de luz de amplo espectro do ditelureto de molibdênio 2-D e observamos cuidadosamente se o sinal refletido é maior ou menor do que o feixe incidente para procurar algum sinal de amplificação de luz, "disse Hao Sun, quem é o autor principal deste artigo encarregado da medição óptica.

"Para ter certeza, um experimento de ganho de trion semelhante foi realizado na década de 1990 com semicondutores convencionais, "notou Ning." Mas os excitons e trions eram tão instáveis, observação experimental e, especialmente, a utilização deste ganho óptico para dispositivos reais é extremamente difícil. "" Uma vez que os excitons e trions são muito mais estáveis ​​nos materiais 2-D, existem novas oportunidades de fazer dispositivos do mundo real a partir desta observação, "apontou Ning." Por enquanto, este resultado pertence à pesquisa de física básica, mas, como para todas as observações importantes em semicondutores, eles poderiam eventualmente ser aplicados para fazer lasers reais, "comentou Ning.