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研究人员发现,当有足够的三子群体时,光学增益可以存在。此外,这种光学增益的存在阈值可以任意小,只受测量系统的限制。在实验中,该团队测量了密度水平为 4 到 5 个数量级的光学增益(1 万到 10 万倍)比为条形码扫描仪和电信工具中使用的激光等光电设备提供动力传统半导体中的光学增益要小。之所以做出这样的发现,是因为研究人员对一种名为莫特跃迁(Mott Transition)的现象感兴趣。
莫特跃迁是物理学中一个悬而未决的谜团,关于激子如何在半导体材料中形成三电子并导电到它们达到莫特密度(半导体从绝缘体变成导体,光学增益第一次出现的点)。但是,实现莫特转换和密度所需的电力,远远超过了未来高效计算所需的电力。如果没有像研究团队正在研究的这种新低功耗纳米激光器能力,将需要一个小发电站来供应一台超级计算机。如果在莫特跃迁以下的激子复合物能够实现光学增益,那么在低水平的功率输入下:
未来的放大器和激光器就可以制造出来,这将需要少量的驱动功率。这一发展可能会改变节能光子学或基于光的设备,并为传统半导体提供一种替代方案,因为传统半导体产生和保持足够激子的能力有限。正如以前二维材料实验中观察到的那样,有可能比之前认为的更早实现光学增益。现在,该研究团队已经发现了一种可以使其发挥作用的机制。由于材料很薄,电子和空穴相互吸引强度是传统半导体的数百倍。
如此强烈的电荷相互作用使得激子和三电子即使在室温下也非常稳定。这意味着研究小组可以探索电子、空穴、激子和三电子的平衡,并控制它们的转换,以在非常低的密度水平上实现光学增益。当处于三电子状态的电子比它们原来的电子状态多时,就会发生一种称为布居反转的情况。可以发射的光子多于吸收的光子,这就导致了一种称为受激发射和光学放大或增益的过程。
解开纳米激光之谜
虽然这一新发现为莫特转变之谜增加了一块(发现了一种新的机制,研究人员可以利用它来创造低功率的二维(2-D)半导体纳米激光器)但研究人员表示,还不确定这是否是导致生产纳米激光器的相同机制。解开剩下谜团的研究仍在进行中,在 20 世纪 90 年代,用传统半导体也进行了类似的 Trion 实验,但激子和三电子子是如此不稳定,无论是实验观察,特别是在真实设备中利用这种光学增益机制都极其困难。