Em sua última linha de pesquisa, Cun-Zheng Ning, professor de engenharia elétrica nas Escolas de Engenharia Ira A. Fulton da Arizona State University, e seus colegas exploraram o intrincado equilíbrio da física que governa como os elétrons, furos, excitons e trions coexistem e se convertem mutuamente para produzir ganho óptico. Seus resultados, liderado pelo professor associado da Universidade Tsinghua Hao Sun, foram publicados recentemente no Natureza publicação Light:Ciência e Aplicações .

"Ao estudar os processos ópticos fundamentais de como um trion pode emitir um fóton [uma partícula de luz] ou absorver um fóton, descobrimos que o ganho óptico pode existir quando temos população trion suficiente, "Ning diz." Além disso, o valor limite para a existência de tal ganho óptico pode ser arbitrariamente pequeno, limitado apenas pelo nosso sistema de medição. "

No experimento de Ning, a equipe mediu o ganho óptico em níveis de densidade de quatro a cinco ordens de magnitude - 10, 000 a 100, 000 vezes - menor do que aqueles em semicondutores convencionais que alimentam dispositivos optoeletrônicos, como leitores de código de barras e lasers usados ​​em ferramentas de telecomunicações.

Ning foi levado a fazer tal descoberta por seu interesse em um fenômeno chamado transição de Mott, um mistério não resolvido na física sobre como os excitons formam trions e conduzem eletricidade em materiais semicondutores ao ponto que eles alcançam a densidade de Mott (o ponto em que um semicondutor muda de um isolante para um condutor e o ganho óptico ocorre pela primeira vez).

Mas a energia elétrica necessária para alcançar a transição e densidade de Mott é muito mais do que o desejável para o futuro da computação eficiente. Sem novos recursos de nanolaser de baixa potência como os que ele está pesquisando, Ning diz que seria necessária uma pequena estação de energia para operar um supercomputador.

"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 que exigiriam uma pequena quantidade de força motriz, "Ning diz.

Este desenvolvimento pode mudar o jogo para fotônica com eficiência energética, ou dispositivos baseados em luz, e fornecer uma alternativa aos semicondutores convencionais, que são limitados em sua capacidade de criar e manter excitons suficientes.

Como Ning observou em experimentos anteriores com materiais 2-D, é possível obter ganho óptico antes do que se pensava anteriormente. Agora, ele e sua equipe descobriram um mecanismo que pode fazer com que funcione.

"Por causa da finura dos materiais, elétrons e lacunas se atraem centenas de vezes mais fortes do que em semicondutores convencionais, "Ning diz." Essas fortes interações de carga tornam excitons e trions muito estáveis, mesmo em temperatura ambiente. "

Isso significa que a equipe de pesquisa pode explorar o equilíbrio dos elétrons, furos, excitons e trions, bem como controlam sua conversão para obter ganho óptico em níveis muito baixos de densidade.

"Quando mais elétrons estão no estado de trion do que em seu estado original de elétrons, ocorre uma condição chamada inversão populacional, "Ning diz." Mais fótons podem ser emitidos do que absorvidos, levando a um processo denominado emissão estimulada e amplificação ou ganho óptico. "

Resolvendo mistérios do nanolaser, uma etapa da ciência fundamental de cada vez

Embora esta nova descoberta tenha adicionado uma peça ao quebra-cabeça de transição de Mott - ela revelou um novo mecanismo que os pesquisadores podem explorar para criar nanolasers semicondutores 2-D de baixa potência - Ning diz que eles ainda não têm certeza se este é o mesmo mecanismo que levou a a produção de seus nanolasers 2017.

O trabalho ainda está em andamento para resolver os mistérios restantes.

Experimentos trion semelhantes foram realizados na década de 1990 com semicondutores convencionais, Ning diz, "mas os excitons e trions eram tão instáveis, observação experimental e, especialmente, a utilização deste mecanismo de ganho óptico para dispositivos reais é extremamente difícil. "

"Como os excitons e trions são muito mais estáveis ​​nos materiais 2-D, existem novas oportunidades para fazer dispositivos do mundo real a partir dessas observações. "

Este interessante desenvolvimento de Ning e sua equipe de pesquisa está apenas no nível de ciência fundamental. Contudo, a pesquisa fundamental pode levar a coisas emocionantes.

"A ciência básica é um empreendimento mundial e todos se beneficiam se as melhores pessoas de todos os lugares puderem estar envolvidas. A ASU forneceu um ambiente aberto e gratuito, especialmente para colaborações internacionais com os principais grupos de pesquisa na China, Alemanha, Japão e em todo o mundo, "Ning diz.

Sua equipe ainda tem mais trabalho a fazer para estudar como esse novo mecanismo de ganho óptico funciona em diferentes temperaturas - e como usá-lo para criar os nanolasers propositalmente.

“O próximo passo é projetar lasers que possam operar especificamente usando os novos mecanismos de ganho óptico, "Ning diz.

Com as bases da física estabelecidas, eles poderiam eventualmente ser aplicados para criar novos nanolasers que poderiam mudar o futuro da supercomputação e dos data centers.

“O sonho de longo prazo é combinar lasers e dispositivos eletrônicos em uma única plataforma integrada, para habilitar um supercomputador ou data center em um chip, "Ning diz." Para tais aplicações futuras, nossos atuais lasers semicondutores ainda são muito grandes para serem integrados com dispositivos eletrônicos. "