亞利桑那州立大學(xué)Ira A.Fulton工學(xué)院電氣工程學(xué)教授寧存正（Nun-Zheng-Zing Ning）和來自中國清華大學(xué)的合作者發(fā)現(xiàn)了一種物理過程，該過程使得能夠以2D半導(dǎo)體材料生產(chǎn)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?nèi)绾闻c半導(dǎo)體相互作用可能會對超級計算機和數(shù)據(jù)中心的高速通信通道產(chǎn)生重大影響。

圖片由Rhonda Hitchcock-Mast / ASU提供

當(dāng)某事可行時，通常是一件好事。但是對于科學(xué)家和工程師而言，當(dāng)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(xué)Ira A. Fulton工學(xué)院的電氣工程學(xué)教授寧存正（Nun-Zheng Ning）在過去的10年中一直在研究半導(dǎo)體納米聲學(xué)，即光和激光在半導(dǎo)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?nèi)绾闻c半導(dǎo)體相互作用可能會對超級計算機和數(shù)據(jù)中心的高速通信通道產(chǎn)生重大影響，但前提是研究人員必須弄清楚它們?nèi)绾我约盀楹文軌蚬ぷ饕栽佻F(xiàn)其結(jié)果。

在2015年至2017年之間，寧等人和他在中國清華大學(xué)的合作者等幾所美國大學(xué)的研究人員產(chǎn)生的實驗結(jié)果表明，激光可以在2D材料中產(chǎn)生，其厚度可薄至單分子層。此外，雖然其他研究人員已經(jīng)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(chǎn)了這些激光器。他們的研究結(jié)果于幾年前發(fā)表在《自然納米技術(shù)》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(xué)的傳統(tǒng)機理表明，不可能產(chǎn)生出如此低功率的激光被泵送到2D半導(dǎo)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(dǎo)致了一個新發(fā)現(xiàn)。

發(fā)現(xiàn)光增益的新機制

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

半導(dǎo)體將能量轉(zhuǎn)換為電子產(chǎn)品的電源。向半導(dǎo)體材料（例如硅或氮化鎵）中注入電流會產(chǎn)生帶負(fù)電的電子和帶正電的粒子（稱為空穴）。在常規(guī)半導(dǎo)體中，當(dāng)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(xué)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(jīng)實現(xiàn)了光學(xué)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(xué)的研究人員在一項新實驗中發(fā)現(xiàn)了一種在2D半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生光學(xué)增益的工藝。

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

寧和他的同僚在他的最新研究領(lǐng)域中探索了物理學(xué)的復(fù)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(zhuǎn)換以產(chǎn)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(xué)過程時，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擁有足夠的三重子時，光學(xué)增益就會存在。” “此外，存在這種光學(xué)增益的閾值可以任意小，僅受我們的測量系統(tǒng)限制。”

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

寧因?qū)σ环N叫做Mott躍遷的現(xiàn)象的興趣而被驅(qū)使做出這樣的發(fā)現(xiàn)，Mott躍遷是物理學(xué)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(dǎo)體材料中導(dǎo)電，直至達到Mott密度（半導(dǎo)體從絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體，并首先發(fā)生光增益）。

但是，實現(xiàn)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(fù)合物實現(xiàn)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(qū)動功率。”

這種發(fā)展將改變節(jié)能光子學(xué)或基于光的器件的游戲規(guī)則，并為傳統(tǒng)半導(dǎo)體提供替代方案，因為傳統(tǒng)半導(dǎo)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(rèn)為的更早獲得光學(xué)增益。現(xiàn)在他們發(fā)現(xiàn)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(dǎo)體的數(shù)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。”

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(zhuǎn)換，以在非常低的密度下實現(xiàn)光學(xué)增益。

寧說：“當(dāng)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(zhuǎn)的情況。” “可以發(fā)射出比吸收更多的光子，這導(dǎo)致了被稱為激發(fā)發(fā)射和光放大或增益的過程。”

這些結(jié)果由紙質(zhì)高級作者和清華大學(xué)副教授郝浩領(lǐng)導(dǎo)，并發(fā)表在《自然》雜志《光：科學(xué)與應(yīng)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(xué)和清華大學(xué)的合作者進行的研究中，將單層二維材料放置在精心設(shè)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(shù)量。另一臺激光泵浦2D材料以產(chǎn)生激子，其中一些激子與預(yù)先存在的電子形成三重子。監(jiān)視反射光以發(fā)現(xiàn)放大的特征。

解決納米激光的奧秘，一次完成基礎(chǔ)科學(xué)的一步

這項新發(fā)現(xiàn)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(dǎo)體納米激光器；寧表示，他們尚不確定這是否與導(dǎo)致生產(chǎn)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(chǔ)研究的作用；科學(xué)家旨在找到一件事，但他們的努力卻找到了另一件事，這導(dǎo)致了新發(fā)現(xiàn)和知識的擴展。

寧說，在1990年代對常規(guī)半導(dǎo)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。”

“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(jù)這些觀察結(jié)果制作出真實的設(shè)備。”

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

“基礎(chǔ)科學(xué)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(xué)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(nèi)的頂級研究小組進行國際合作。”

為未來的超級計算機和數(shù)據(jù)中心奠定基礎(chǔ)

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(shè)計可以使用新的光學(xué)增益機制專門工作的激光器。”

在奠定了物理基礎(chǔ)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(shù)據(jù)中心的未來。

寧說：“長期的夢想是將激光器和電子設(shè)備組合在一個集成平臺中，以使超級計算機或數(shù)據(jù)中心位于芯片上。” “對于這樣的未來應(yīng)用，我們目前的半導(dǎo)體激光器仍然太大，無法與電子設(shè)備集成。”