近日據(jù)外媒報道，一支由物理學(xué)家組成的國際團(tuán)隊經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，僅由三個原子層組成的晶體能夠在室溫下發(fā)出類似激光的光，該材料未來將有可能用于微型電路以及量子應(yīng)用中的光源。該研究論文刊登在近期出刊的《自然通訊》上。

原子級的超薄過渡金屬二硫?qū)倩锞w因其高光物質(zhì)耦合強度，被認(rèn)為是對光電子和納米光子應(yīng)用極具價值，并且適合作為微激光器和納米激光器的增益材料。該論篇文也指出，強庫侖相互作用力是這些材料在室溫下進(jìn)行光學(xué)響應(yīng)的主導(dǎo)原因，這使得它們特別有希望用于多粒子和量子相關(guān)現(xiàn)象的基礎(chǔ)研究。

根據(jù)團(tuán)隊成員的說法，科學(xué)家們已經(jīng)能夠成功生成了與略高于絕對零度下實現(xiàn)的相同效果。德國奧爾登堡大學(xué)量子材料研究小組負(fù)責(zé)人Christian Schneider說：“從低溫到室溫的轉(zhuǎn)變，使這些二維材料的應(yīng)用變得更加有趣?！?/p>

■單層晶體放置在“鏡子”之間，在室溫下發(fā)射激光（來源：奧爾登堡大學(xué)）

同為奧爾登堡大學(xué)的科學(xué)家Carlos Anton-Solanas和Hangyon Shan是該研究團(tuán)隊的成員。2021年早些時候，團(tuán)隊發(fā)表報告稱半導(dǎo)體材料二硒化鉬中的一層在低溫狀態(tài)下產(chǎn)生了激光。目前，研究團(tuán)隊的工作是在室溫下產(chǎn)生相同的結(jié)果，如果成功將是一個里程碑。

該團(tuán)隊在最近的實驗中使用了半導(dǎo)體二硒化鎢（WSe²）。該化合物屬于一類由過渡金屬和硫、硒或碲中的一種元素組成的半導(dǎo)體。這種類半導(dǎo)體的單層晶體與光的相互作用非常強烈。Anton-Solanas表示，它們被認(rèn)為是微型和納米激光器的潛在基礎(chǔ)材料。

該團(tuán)隊產(chǎn)生的激光發(fā)射來自激子極化子，一種物質(zhì)和光組成的混合粒子，由光粒子和激發(fā)電子之間的耦合產(chǎn)生。當(dāng)基態(tài)的電子被提升到更高的能量狀態(tài)時例如通過激光，就會形成激發(fā)的電子。幾分之一秒后，它們會發(fā)出一個光粒子。當(dāng)這個粒子被困在兩個鏡子之間時，它可以反過來激發(fā)另一個電子。這個循環(huán)一直持續(xù)到一個輕粒子逃離“陷阱”。

激子極化子耦合過程結(jié)合了光子和電子的不同特性。如果產(chǎn)生足夠的激子極化子，就會出現(xiàn)一種情況即它們不再像單個粒子一樣運行而是并合成為宏觀量子形態(tài)。樣品的光發(fā)射突然增加表明了轉(zhuǎn)變已經(jīng)發(fā)生。就像激光發(fā)出的光一樣，在這種情況下產(chǎn)生的輻射是單色的，只有一種波長。這種光束可以在特定方向上輻射，并顯示出干涉性。

為了證明二硒化鎢的這種效果，該團(tuán)隊生產(chǎn)了1納米厚的半導(dǎo)體樣品。研究人員將它們放在鏡子之間，然后用激光刺激晶體并研究由此產(chǎn)生的發(fā)射。結(jié)果表明，有證據(jù)顯示輻射必須來自具有光和物質(zhì)特性的混合粒子。于是該團(tuán)隊得出結(jié)論，激子極化子確實能在半導(dǎo)體中形成。

Schneider表示，這項研究成果增添了這種二維材料作為新型納米激光器的可能性，并且在室溫下就能生成激光。為了得到今天的結(jié)果，該團(tuán)隊已經(jīng)為此連續(xù)工作了大約10年。同樣地，在今年早些時候另一組研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了室溫下單層晶體中激子極化子發(fā)射相干激光的證據(jù)。