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在亞利桑那州立大學(xué)艾拉·A·富爾頓工程學(xué)院電氣工程教授寧存正和同事們的最新研究中，探索了復(fù)雜的物理平衡，這種平衡支配著電子、空穴、激子和三電子如何共存，并相互轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生光學(xué)增益，

其研究結(jié)果由清華大學(xué)副教授孫浩領(lǐng)導(dǎo)，并發(fā)表在自然《光：科學(xué)與應(yīng)用》期刊上。在研究三電子如何發(fā)射光子(一種光粒子)或吸收光子的基本光學(xué)過程時(shí)：

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有足夠的三子群體時(shí)，光學(xué)增益可以存在。此外，這種光學(xué)增益的存在閾值可以任意小，只受測(cè)量系統(tǒng)的限制。在實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)測(cè)量了密度水平為 4 到 5 個(gè)數(shù)量級(jí)的光學(xué)增益（1 萬到 10 萬倍）比為條形碼掃描儀和電信工具中使用的激光等光電設(shè)備提供動(dòng)力傳統(tǒng)半導(dǎo)體中的光學(xué)增益要小。之所以做出這樣的發(fā)現(xiàn)，是因?yàn)檠芯咳藛T對(duì)一種名為莫特躍遷(Mott Transition)的現(xiàn)象感興趣。

莫特躍遷是物理學(xué)中一個(gè)懸而未決的謎團(tuán)，關(guān)于激子如何在半導(dǎo)體材料中形成三電子并導(dǎo)電到它們達(dá)到莫特密度（半導(dǎo)體從絕緣體變成導(dǎo)體，光學(xué)增益第一次出現(xiàn)的點(diǎn)）。但是，實(shí)現(xiàn)莫特轉(zhuǎn)換和密度所需的電力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了未來高效計(jì)算所需的電力。如果沒有像研究團(tuán)隊(duì)正在研究的這種新低功耗納米激光器能力，將需要一個(gè)小發(fā)電站來供應(yīng)一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)。如果在莫特躍遷以下的激子復(fù)合物能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)增益，那么在低水平的功率輸入下：

未來的放大器和激光器就可以制造出來，這將需要少量的驅(qū)動(dòng)功率。這一發(fā)展可能會(huì)改變節(jié)能光子學(xué)或基于光的設(shè)備，并為傳統(tǒng)半導(dǎo)體提供一種替代方案，因?yàn)閭鹘y(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)生和保持足夠激子的能力有限。正如以前二維材料實(shí)驗(yàn)中觀察到的那樣，有可能比之前認(rèn)為的更早實(shí)現(xiàn)光學(xué)增益。現(xiàn)在，該研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種可以使其發(fā)揮作用的機(jī)制。由于材料很薄，電子和空穴相互吸引強(qiáng)度是傳統(tǒng)半導(dǎo)體的數(shù)百倍。

如此強(qiáng)烈的電荷相互作用使得激子和三電子即使在室溫下也非常穩(wěn)定。這意味著研究小組可以探索電子、空穴、激子和三電子的平衡，并控制它們的轉(zhuǎn)換，以在非常低的密度水平上實(shí)現(xiàn)光學(xué)增益。當(dāng)處于三電子狀態(tài)的電子比它們?cè)瓉淼碾娮訝顟B(tài)多時(shí)，就會(huì)發(fā)生一種稱為布居反轉(zhuǎn)的情況?？梢园l(fā)射的光子多于吸收的光子，這就導(dǎo)致了一種稱為受激發(fā)射和光學(xué)放大或增益的過程。

解開納米激光之謎

雖然這一新發(fā)現(xiàn)為莫特轉(zhuǎn)變之謎增加了一塊（發(fā)現(xiàn)了一種新的機(jī)制，研究人員可以利用它來創(chuàng)造低功率的二維（2-D）半導(dǎo)體納米激光器）但研究人員表示，還不確定這是否是導(dǎo)致生產(chǎn)納米激光器的相同機(jī)制。解開剩下謎團(tuán)的研究仍在進(jìn)行中，在 20 世紀(jì) 90 年代，用傳統(tǒng)半導(dǎo)體也進(jìn)行了類似的 Trion 實(shí)驗(yàn)，但激子和三電子子是如此不穩(wěn)定，無論是實(shí)驗(yàn)觀察，特別是在真實(shí)設(shè)備中利用這種光學(xué)增益機(jī)制都極其困難。

由于激子和三電子在 2-D 材料中更穩(wěn)定，因此有新的機(jī)會(huì)，可以從這些觀測(cè)中制造出現(xiàn)實(shí)世界中的設(shè)備。研究團(tuán)隊(duì)的這一有趣的發(fā)展只停留在基礎(chǔ)科學(xué)層面。然而，基礎(chǔ)研究可以帶來令人興奮的事情。基礎(chǔ)科學(xué)是一項(xiàng)世界性的事業(yè)，如果各地最優(yōu)秀的人才都能參與進(jìn)來，每個(gè)人都會(huì)受益。亞利桑那州立大學(xué)提供了一個(gè)開放和自由的環(huán)境，特別是為與中國(guó)、德國(guó)、日本和世界各地的頂級(jí)研究小組進(jìn)行國(guó)際合作提供了條件。

研究團(tuán)隊(duì)還有更多的工作要做，以研究這種新的光學(xué)增益機(jī)制，在不同溫度下是如何工作的，以及如何利用它有目的地制造納米激光器，下一步是設(shè)計(jì)可以使用新光學(xué)增益機(jī)制專門操作的激光器。隨著物理基礎(chǔ)的奠定，最終可能被應(yīng)用于創(chuàng)造新的納米激光器，這可能會(huì)改變超級(jí)計(jì)算和數(shù)據(jù)中心的未來。長(zhǎng)期的夢(mèng)想是將激光和電子設(shè)備結(jié)合在一個(gè)單一的集成平臺(tái)上，使超級(jí)計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)中心能夠在一塊芯片上。

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二維半導(dǎo)體揭開納米激光的神秘面紗