二維激子激光器的實(shí)現(xiàn)向下一代超緊湊光子和光電子器件邁出了重要一步，美國(guó)能源部的勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家將單層二硫化鎢嵌入到特殊的微型磁盤(pán)諧振器中實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光波段的明亮激子激射。
伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)系主任Xiang Zhang說(shuō)：“我們從二硫化鎢的單分子層觀察到了高品質(zhì)的激子激射，標(biāo)志著向用于高性能光通信和計(jì)算機(jī)的二維光電芯片邁出了重要一步”。研究成果發(fā)表在《Nature Photonics》上。
當(dāng)今納米技術(shù)世界研究最熱門(mén)的材料是二維過(guò)渡金屬二硫化物(TMDCs)，這些二維半導(dǎo)體具有卓越的能效而且電子傳導(dǎo)速度比硅快，而且與石墨烯不同的是TMDCs具有自然帶隙使其電導(dǎo)可以在“開(kāi)或關(guān)”之間切換，比石墨烯更適合制造設(shè)備。雖然單分子層二硫化鎢廣泛被認(rèn)為是最有前途的TMDCs光子與光電子應(yīng)用材料，但是直到如今都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)相干光輻射或激光，更不用提芯片應(yīng)用。
TMDCs在光與物質(zhì)相互作用上顯示出非凡的激子特性，如果材料薄到單層這種特性能引起電子能帶結(jié)構(gòu)的量子限制和晶體對(duì)稱(chēng)作用。然而，對(duì)于二維激射，微腔的設(shè)計(jì)和制造提供了高光學(xué)模式限制因子和高品質(zhì)Q值。
在先前的研究中，Zhang和他的研究小組已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了“回音壁微腔”的等離子體，電磁波橫跨金屬表面滾動(dòng)。基于背向耳語(yǔ)原理（在一個(gè)空間輕聲口語(yǔ)，而后在圓頂天花板下方在腔室的相對(duì)側(cè)可以清楚地聽(tīng)到）這個(gè)微小尺寸的等離子體金屬腔大大加強(qiáng)和提高了光發(fā)射的Q因子。在這項(xiàng)新研究中，Zhang和他的團(tuán)隊(duì)的微腔技術(shù)將等離子體改為激子，在單層分子內(nèi)使光激發(fā)單層電子/空穴對(duì)。
“我們的激子激光器，放棄了金屬涂層，設(shè)計(jì)了支持電介質(zhì)回音壁模式而不是電漿模式的微盤(pán)諧振器，具有低損耗高Q因子，”共同第一作者Ye介紹，“當(dāng)單層二硫化鎢作為增益介質(zhì)夾在兩層電介質(zhì)之間時(shí)，我們創(chuàng)造了潛在的超低閾值激射。”除了光子和光電應(yīng)用以外，2D激子激光技術(shù)還有潛力應(yīng)用于valleytronic，就是電子的自旋和動(dòng)量通過(guò)晶格作為波的能量峰值和峰谷來(lái)移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息編碼。Valleytronic被視為量子計(jì)算自旋電子學(xué)的替代技術(shù)。
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