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(lái)自中國(guó)清華大學(xué)的合作者發(fā)現(xiàn)了一種物理過(guò)程，該過(guò)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(jí)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(huì)對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)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(shí)，通常是一件好事。但是對(duì)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(jī)制時(shí)，就會(huì)引發(fā)足夠多的問(wèn)題，使他們無(wú)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(guò)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(jí)中的作用。

了解納米級(jí)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(huì)對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)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(guó)清華大學(xué)的合作者等幾所美國(guó)大學(xué)的研究人員產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)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(kāi)發(fā)了這些激光器，但Ning的團(tuán)隊(duì)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(jī)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(shí)驗(yàn)中起作用。

因此，盡管他對(duì)他的團(tuán)隊(duì)在研究中取得的進(jìn)步感到興奮，但Ning不能放棄這個(gè)問(wèn)題，為什么它能夠起作用？在過(guò)去的三年中，Ning和他的團(tuán)隊(duì)一直在努力尋找該問(wèn)題的答案，他們對(duì)答案的搜索導(dǎo)致了一個(gè)新發(fā)現(xiàn)。

發(fā)現(xiàn)光增益的新機(jī)制

光學(xué)增益（一種材料放大光或光子的能力）是驅(qū)動(dòng)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(huì)產(chǎn)生帶負(fù)電的電子和帶正電的粒子（稱(chēng)為空穴）。在常規(guī)半導(dǎo)體中，當(dāng)電子和空穴達(dá)到足夠高的密度時(shí)，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(dá)到所需的密度之前就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光學(xué)增益。

為了理解為什么會(huì)發(fā)生這種情況，Ning和來(lái)自ASU和清華大學(xué)的研究人員在一項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)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(duì)，稱(chēng)為激子，激子對(duì)可以與另一個(gè)電子或空穴結(jié)合，形成稱(chēng)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(shuō)：“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(guò)程時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擁有足夠的三重子時(shí)，光學(xué)增益就會(huì)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(cè)量系統(tǒng)限制?！?/p>

在Ning的實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)測(cè)得的光學(xué)增益密度為4至5個(gè)數(shù)量級(jí)，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(gè)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(dá)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(shí)現(xiàn)Mott躍遷和密度所需的電能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了未來(lái)高效計(jì)算的需求。Ning表示，如果沒(méi)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(gè)小型電站來(lái)運(yùn)行一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)。

寧說(shuō)：“如果能在低功率輸入下用低于Mott躍遷的激子復(fù)合物實(shí)現(xiàn)光增益，那么未來(lái)的放大器和激光器就可以制成，它們需要少量的驅(qū)動(dòng)功率?！?/p>

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?yàn)閭鹘y(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(jìn)行的實(shí)驗(yàn)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?，F(xiàn)在他們發(fā)現(xiàn)了一種可以使之起作用的機(jī)制。

寧說(shuō)：“由于材料的厚度，電子和空穴相互吸引的強(qiáng)度是傳統(tǒng)半導(dǎo)體的數(shù)百倍?！?“這種強(qiáng)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?！?/p>

這意味著研究團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)光學(xué)增益。

寧說(shuō)：“當(dāng)三元態(tài)的電子多于其原始電子態(tài)時(shí)，就會(huì)發(fā)生稱(chēng)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(chēng)為激發(fā)發(fā)射和光放大或增益的過(guò)程?！?/p>

這些結(jié)果由紙質(zhì)高級(jí)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(lái)源：寧存正

在寧存正，他的美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)和清華大學(xué)的合作者進(jìn)行的研究中，將單層二維材料放置在精心設(shè)計(jì)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(tái)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(xiàng)新發(fā)現(xiàn)為莫特（Mott）過(guò)渡難題增添了一筆-它揭示了一種新的機(jī)制，研究人員可以利用該機(jī)制來(lái)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(jī)制相同。他們的2017年納米激光

解決剩余的謎團(tuán)的工作仍在進(jìn)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(shí)的擴(kuò)展。

寧說(shuō)，在1990年代對(duì)常規(guī)半導(dǎo)體進(jìn)行了類(lèi)似的三極子實(shí)驗(yàn)，“但是激子和三極子非常不穩(wěn)定，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)觀察，還是將這種光增益機(jī)制用于實(shí)際器件，都非常困難?！?/p>

“由于激子和三重子在2D材料中更加穩(wěn)定，因此有新的機(jī)會(huì)根據(jù)這些觀察結(jié)果制作出真實(shí)的設(shè)備。”

寧和他的研究團(tuán)隊(duì)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(huì)帶來(lái)令人興奮的事情。

“基礎(chǔ)科學(xué)是一項(xiàng)全球性的努力，如果可以吸引來(lái)自世界各地的最優(yōu)秀人才，每個(gè)人都會(huì)從中受益。亞利桑那州立大學(xué)提供了一個(gè)開(kāi)放和自由的環(huán)境，特別是與中國(guó)，德國(guó)，日本和全球范圍內(nèi)的頂級(jí)研究小組進(jìn)行國(guó)際合作。”

為未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)中心奠定基礎(chǔ)

他的團(tuán)隊(duì)還有很多工作要做，以研究這種新的光增益機(jī)制在不同溫度下的工作原理，以及如何利用它來(lái)有目的地制造納米激光。

寧說(shuō)：“下一步是設(shè)計(jì)可以使用新的光學(xué)增益機(jī)制專(zhuān)門(mén)工作的激光器?！?/p>

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(jí)計(jì)算和數(shù)據(jù)中心的未來(lái)。

寧說(shuō)：“長(zhǎng)期的夢(mèng)想是將激光器和電子設(shè)備組合在一個(gè)集成平臺(tái)中，以使超級(jí)計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)中心位于芯片上?！?“對(duì)于這樣的未來(lái)應(yīng)用，我們目前的半導(dǎo)體激光器仍然太大，無(wú)法與電子設(shè)備集成?！?/p>