亞利桑那州立大學Ira A.Fulton工學院電氣工程學教授寧存正（Nun-Zheng-Zing Ning）和來自中國清華大學的合作者發(fā)現了一種物理過程，該過程使得能夠以2D半導體材料生產低功率納米激光。了解納米級激光背后的物理原理以及它們如何與半導體相互作用可能會對超級計算機和數據中心的高速通信通道產生重大影響。

圖片由Rhonda Hitchcock-Mast / ASU提供

當某事可行時，通常是一件好事。但是對于科學家和工程師而言，當某些事情起作用并且他們不了解其背后的機制時，就會引發(fā)足夠多的問題，使他們無法入夜。

亞利桑那州立大學Ira A. Fulton工學院的電氣工程學教授寧存正（Nun-Zheng Ning）在過去的10年中一直在研究半導體納米聲學，即光和激光在半導體納米級中的作用。

了解納米級激光器背后的物理原理以及它們如何與半導體相互作用可能會對超級計算機和數據中心的高速通信通道產生重大影響，但前提是研究人員必須弄清楚它們如何以及為何能夠工作以再現其結果。

在2015年至2017年之間，寧等人和他在中國清華大學的合作者等幾所美國大學的研究人員產生的實驗結果表明，激光可以在2D材料中產生，其厚度可薄至單分子層。此外，雖然其他研究人員已經在低溫下開發(fā)了這些激光器，但Ning的團隊還是首次在室溫下生產了這些激光器。他們的研究結果于幾年前發(fā)表在《自然納米技術》雜志上。

盡管如此薄的材料可以支持激光操作，但它的顯著之處在于，激光物理學的傳統(tǒng)機理表明，不可能產生出如此低功率的激光被泵送到2D半導體中的激光器。但它在Ning小組的實驗中起作用。

因此，盡管他對他的團隊在研究中取得的進步感到興奮，但Ning不能放棄這個問題，為什么它能夠起作用？在過去的三年中，Ning和他的團隊一直在努力尋找該問題的答案，他們對答案的搜索導致了一個新發(fā)現。

發(fā)現光增益的新機制

光學增益（一種材料放大光或光子的能力）是驅動所有激光器的基本概念。為了產生光增益，將電子注入到半導體材料中。

半導體將能量轉換為電子產品的電源。向半導體材料（例如硅或氮化鎵）中注入電流會產生帶負電的電子和帶正電的粒子（稱為空穴）。在常規(guī)半導體中，當電子和空穴達到足夠高的密度時，它們形成電子空穴氣體，并且發(fā)生光學增益。

但是Ning和他的研究小組幾年前研究的新型2D材料在達到所需的密度之前就已經實現了光學增益。

為了理解為什么會發(fā)生這種情況，Ning和來自ASU和清華大學的研究人員在一項新實驗中發(fā)現了一種在2D半導體材料中產生光學增益的工藝。

二維材料的特性使電子和空穴形成緊密結合的對，稱為激子，激子對可以與另一個電子或空穴結合，形成稱為三子的單元。

寧和他的同僚在他的最新研究領域中探索了物理學的復雜平衡，該平衡決定了電子，空穴，激子和三子如何共存并相互轉換以產生光增益。

寧說：“在研究三重子如何發(fā)出光子（光的粒子）或吸收光子的基本光學過程時，我們發(fā)現，當擁有足夠的三重子時，光學增益就會存在?！?“此外，存在這種光學增益的閾值可以任意小，僅受我們的測量系統(tǒng)限制?！?/p>

在Ning的實驗中，該團隊測得的光學增益密度為4至5個數量級，即10,000至100,000倍，比為光電設備供電的傳統(tǒng)半導體（如條形碼掃描儀和電信工具中使用的激光器）的光學增益小。

寧因對一種叫做Mott躍遷的現象的興趣而被驅使做出這樣的發(fā)現，Mott躍遷是物理學中一個尚未解決的謎，它涉及激子如何形成三重子并在半導體材料中導電，直至達到Mott密度（半導體從絕緣體變?yōu)閷w，并首先發(fā)生光增益）。

但是，實現Mott躍遷和密度所需的電能遠遠超出了未來高效計算的需求。Ning表示，如果沒有像他正在研究的那樣的新的低功率納米激光器功能，它將需要一個小型電站來運行一臺超級計算機。

寧說：“如果能在低功率輸入下用低于Mott躍遷的激子復合物實現光增益，那么未來的放大器和激光器就可以制成，它們需要少量的驅動功率。”

這種發(fā)展將改變節(jié)能光子學或基于光的器件的游戲規(guī)則，并為傳統(tǒng)半導體提供替代方案，因為傳統(tǒng)半導體的制造和維持足夠的激子的能力受到限制。

正如Ning在先前使用2D材料進行的實驗中觀察到的那樣，有可能比以前認為的更早獲得光學增益。現在他們發(fā)現了一種可以使之起作用的機制。

寧說：“由于材料的厚度，電子和空穴相互吸引的強度是傳統(tǒng)半導體的數百倍?！?“這種強烈的電荷相互作用使激子和三重子即使在室溫下也非常穩(wěn)定?！?/p>

這意味著研究團隊可以探索電子，空穴，激子和三重子的平衡，并控制它們的轉換，以在非常低的密度下實現光學增益。

寧說：“當三元態(tài)的電子多于其原始電子態(tài)時，就會發(fā)生稱為種群反轉的情況?！?“可以發(fā)射出比吸收更多的光子，這導致了被稱為激發(fā)發(fā)射和光放大或增益的過程?！?/p>

這些結果由紙質高級作者和清華大學副教授郝浩領導，并發(fā)表在《自然》雜志《光：科學與應用》上。

圖片來源：寧存正

在寧存正，他的美國亞利桑那州立大學和清華大學的合作者進行的研究中，將單層二維材料放置在精心設計的基板上，該基板以金作為背柵，以控制該材料中的電子數量。另一臺激光泵浦2D材料以產生激子，其中一些激子與預先存在的電子形成三重子。監(jiān)視反射光以發(fā)現放大的特征。

解決納米激光的奧秘，一次完成基礎科學的一步

這項新發(fā)現為莫特（Mott）過渡難題增添了一筆-它揭示了一種新的機制，研究人員可以利用該機制來創(chuàng)建低功率2D半導體納米激光器；寧表示，他們尚不確定這是否與導致生產的機制相同。他們的2017年納米激光

解決剩余的謎團的工作仍在進行中。這就是基礎研究的作用；科學家旨在找到一件事，但他們的努力卻找到了另一件事，這導致了新發(fā)現和知識的擴展。

寧說，在1990年代對常規(guī)半導體進行了類似的三極子實驗，“但是激子和三極子非常不穩(wěn)定，無論是實驗觀察，還是將這種光增益機制用于實際器件，都非常困難?！?/p>

“由于激子和三重子在2D材料中更加穩(wěn)定，因此有新的機會根據這些觀察結果制作出真實的設備。”

寧和他的研究團隊所做的有趣的發(fā)展僅在基礎科學層面上。但是，基礎研究可能會帶來令人興奮的事情。

“基礎科學是一項全球性的努力，如果可以吸引來自世界各地的最優(yōu)秀人才，每個人都會從中受益。亞利桑那州立大學提供了一個開放和自由的環(huán)境，特別是與中國，德國，日本和全球范圍內的頂級研究小組進行國際合作。”

為未來的超級計算機和數據中心奠定基礎

他的團隊還有很多工作要做，以研究這種新的光增益機制在不同溫度下的工作原理，以及如何利用它來有目的地制造納米激光。

寧說：“下一步是設計可以使用新的光學增益機制專門工作的激光器?！?/p>

在奠定了物理基礎之后，它們最終可以用于創(chuàng)建新的納米激光，從而可以改變超級計算和數據中心的未來。

寧說：“長期的夢想是將激光器和電子設備組合在一個集成平臺中，以使超級計算機或數據中心位于芯片上。” “對于這樣的未來應用，我們目前的半導體激光器仍然太大，無法與電子設備集成?！?/p>