在2D半导体中产生纳米溶解器的物理过程可能是用于高速通信的游戏变频器

Iraizona州立大学的IRA A. Fulton工程学院电气工程教授Cun-Zheng Ning以及来自中国清华大学的合作者发现了一种物理学，使低功率纳米液纳入2D半导体材料。了解纳米级的激光背后的物理以及它们与半导体的交互方式如何对超级计算机和数据中心的高速通信信道具有重大影响。

当事情只是有效时，这通常是一件好事。但是对于科学家和工程师来说，当某些东西有效而且他们不理解它背后的机制，它会引发足够的问题来保持晚上。

CUN-ZHENG NING IRA A.亚利桑那州立大学工程学院电气工程教授，已经在过去10年中研究了半导体纳米型纳米型纳米 - 纳米级 - 光线和激光器如何在纳米级半导体内起作用。

了解纳米级的激光背后的物理以及它们如何与半导体进行交互可能对超级计算机和数据中心的高速通信渠道产生重大影响 - 但只有ifResearchers可以发出如何以及为什么他们工作重现它们的结果。

2015年至2017年间，在中国清华大学在内的几所大学的研究人员产生了实验结果，显示了激光器可以用2D材料生产，如单一分子。此外，虽然其他研究人员在低温温度下开发了这些激光，但宁的团队首次在室温下生产。他们几年前在自然纳米技术杂志上发表了他们的结果。

如这种薄材料可以支持激光操作的显着，激光物理学的传统机制建议，不可能产生具有如此低功率的激光器被泵入2D半导体。然而它在宁的团队的实验中工作。

所以，虽然他对他的团队在研究中的进步感到兴奋，但是宁宁无法放手问题，为什么可以工作？在过去的三年里，宁和他的团队一直试图找到该问题的答案，他们寻求答案的搜索导致了一个新的发现。

发现一种新的光学增益机制

光学增益 - 放大光或光子的材料的能力 - 是驱动所有激光器的基本概念。为了产生光学增益，将电子注入半导体材料中。

半导体将能量转换为电子设备的电力。将电流注入半导体材料，例如硅或氮化镓，产生带负电的电子和带正电的颗粒称为孔。在传统的半导体中，当电子和孔达到足够高的密度时，它们形成电子空气气体和光学增益。

但是，在几年前研究的新的2D材料宁和他的研究团队在似乎达到所需密度之前实现了光学增益。

要理解为什么这可能已经发生，在新的实验中，来自ASU和清华大学的宁和研究人员发现了一种在2D半导体材料中产生光学增益的过程。

2D材料的性质导致电子和孔形成称为激子的紧密配对，这可以与另一电子或孔结合以形成称为枝的单元。

在他最新的研究中，宁和他的同龄人探讨了物理的错综复杂的物理平衡，管辖电子，孔，激子和枝条的共存和相互转换为产生光学增益。

“在研究Trion如何发射光子[光粒子]或吸收光子的基本光学过程的同时，我们发现当我们有足够的Trion群体时可以存在光学增益，”宁说。“此外，存在这种光学增益的存在的阈值可以是任意小的，仅受我们的测量系统的限制。”

在宁的实验中，团队在密度水平下测量光学增益四到五个数量级 - 10,000至100,000次 - 小于电力光电器件等条形码扫描仪和电信工具的激光器的传统半导体中的光学增益。

宁丁已经被他对叫做莫特转型的现象，物理学中未解决的谜团的兴趣来促进这样的发现，这是关于如何激发器在半导体材料中导电到它们达到莫特密度的点（其点）从绝缘体到导体和光学增益首先发生半导体。

但是实现Mott转变和密度所需的电力远远超过了对有效计算的未来所期望的。没有新的低功耗纳米淋片功能，就像他正在研究的那些一样，宁说它将采用一个小型电脑来操作一个超级计算机。

“如果通过在Mott转换的兴奋复合物中可以实现光学增益，则在低水平的电力输入下，可以使未来的放大器和激光器进行，这将需要少量的驱动力，”宁说。

该开发将为节能光子或基于光的设备进行游戏变化，并提供传统半导体的替代方案，这些半导体有限于它们的创造和维持足够的激子的能力。

正如在先前用2D材料的实验中观察到的宁，可以比以前认为的更早实现光学增益。现在他们已经发现了一种可以使其工作的机制。

“由于材料的薄度，电子和孔彼此吸引比传统半导体更强多次，”宁说。“如此强大的电荷相互作用使激子和甚至在室温下非常稳定。”

这意味着研究团队可以探索电子，漏洞，激子和细长的平衡，并控制转换，以在非常低的密度下实现光学增益。

“当更多电子在Troion态比其原始电子状态方面时，发生称为人口反演的条件，”宁说。“可以发射更多的光子，从吸收，导致称为刺激的发射和光学放大或增益的过程。”

这些结果由纸张高级作者和清华大学副教授Hao Sun，发表在自然出版物之光中：科学与应用。

在CUN-ZHENG NING及其ASU和清华大学合作者进行的研究中，将单层2D材料放置在精心设计的基板上，金色作为后栅极控制材料中的电子数量。另一个激光泵送2D材料以产生激子，其中一些形成具有预先存在的电子的枝条。监测反射光以找到放大的签名。

虽然这个新发现添加了一块Mott Transition Puzzle - 它发现了一种新机制，研究人员可以利用以创建低功耗2D半导体纳米玻璃扫描器 - NING说，他们还不确定这是一个导致生产的相同机制他们的2017年纳米纳利人。

解决剩下的奥秘仍在继续工作。这是基础研究的作用;科学家的目标是找到一件事，但他们的努力找到了别的东西，导致新的发现和扩大知识。

宁说，在20世纪90年代进行了类似的TRION实验，“但是激子和细菌是如此不稳定，既是实验观察，尤其是用于真实装置的这种光学增益机构的利用非常困难。”

“由于激子和细长在2D材料中更稳定，因此有新的机会使现实世界的设备摆脱这些观察。”

宁静的这种有趣的发展和他的研究团队仅在基本上的科学水平。然而，基础研究可以导致令人兴奋的事情。

“基础科学是一个全球努力，如果可以参与各地的最佳人士，每个人都会受益。ASU提供了一个开放和自由的环境，特别是对于中国，德国，日本和全球的国际合作，“宁说。

为未来的超级计算机和数据中心奠定基础

他的团队有更多的工作要做，以研究这种新的光学增益机制如何在不同的温度下工作 - 以及如何使用它来有目的地创建纳米液。

“下一步是设计可以使用新的光学增益的新机制操作的激光器，”宁说。

通过奠定的物理基础，最终可以应用于创建可以改变超级计算和数据中心的未来的新纳米纳利人。

“长期梦想是将激光器和电子设备联合在一个集成平台中，使得芯片上的超级计算机或数据中心，”宁说。“对于这种未来的应用，我们当前的半导体激光器仍然太大而无法与电子设备集成。”

参考：

“兴趣复合物和光学增益在二维钼Ditelluride低于Mott Transition”的Zhen Wang，Hao Sun，Qiyao Zhang，Jiabin Feng，Jianxing Zhang，Yongzhuo Li和Cun-Zheng Ning，Light 2020年3月10日，Light：科学与应用.DOI：
10.1038 / s41377-020-0278-z

“室温连续波从单层钼DitellIride集成，与硅纳米孔腔”中的李，建兴张，丹丹黄，郝孙，樊凡峰，镇王和宁克宁，2017年7月17日，自然纳米技术.doi：
10.1038 / nnano.2017.128