Miniatyrenhet gir kraftig laser ved romtemperatur, reduserer strømforbruket med 7 ganger

Nylig oppfant forskere fra US Rensselaer Polytechnic Institute (Rensselaer Polytechnic Institute) en mikroenhet som er tynnere enn et menneskehår, som kan hjelpe forskere til å utforske naturen til lys og materie, og avdekke mysteriene i kvantefeltet. Den viktigste fordelen med denne teknologien er at den kan fungere ved romtemperatur og ikke krever kompleks infrastruktur.
Forskerne sa: "Valget av materiale er avgjørende, og vi er de første til å velge det eksitoniske materialet CsPbCl3 for denne applikasjonen." CsPbCl3 er et kalkogenidmateriale som forskerne brukte til å lage fotoniske topologiske isolatorer (PTI).
Mens klassisk fysikk har hjulpet oss å forstå verden, skylder teknologiske fremskritt mye til kvantemekanikk. Fra lysemitterende dioder (LED) til lasere, transistorer og til og med elektronmikroskoper, har forståelsen av kvantemekanikk drevet sprang og grenser i moderne teknologi.
Imidlertid er det fortsatt mange ukjente i kvanteriket som venter på å bli utforsket. Forskere over hele verden bruker banebrytende utstyr for å studere oppførselen til atompartikler for å fremme deres forståelse. Wei Bao, en assisterende professor ved RPIs avdeling for materialvitenskap og ingeniørvitenskap, og teamet hans har tatt en unik vei.
Hva er en fotonisk topologisk isolator?
En PTI er et materiale som leder fotoner av lys til spesialdesignede grensesnitt i materialet, samtidig som det forhindrer lys fra å bli spredt gjennom det. Denne egenskapen gjør at flere fotoner i materialet forblir sammenhengende og viser oppførselen til et enkelt foton.
Ved å bruke denne egenskapen til materialet gjorde RPI-forskere isolatoren til et simulert materiale for å lage et miniatyrlaboratorium for å studere kvanteegenskapene til fotoner.
Under produksjonen av enheten brukte forskerne teknikker som ligner på de som ble brukt i mikrobrikkefremstilling. De stablet forskjellige materialer lag for lag, med hvert molekyl nøye arrangert for å bygge strukturer med spesifikke egenskaper.
Først brukte teamet cesium, bly og klor for å lage ultratynne plater av kalkogenid. Deretter etset de spesifikke mønstre inn i en polymer. Krystallplaten og polymeren ble deretter klemt mellom tynne ark av forskjellige oksidmaterialer, noe som resulterte i en liten enhet som er omtrent 2 mikron tykk, 100 mikron lang og mindre enn diameteren til et gjennomsnittlig menneskehår.
Hvordan fungerer enheten?
Når teamet brukte en laser på enheten, dukket det opp et mønster av glødende trekanter på materialgrensesnittet. Dette mønsteret stammer fra de topologiske egenskapene til laseren og er diktert av utformingen av enheten.
En betydelig fordel med enheten er dens evne til å fungere ved romtemperatur. CsPbCl3 har en stabil eksitonbindingsenergi på opptil ~64 meV, godt over den termiske fluktuasjonen på 25,8 meV ved romtemperatur.
Tidligere kunne forskere bare superkjøle materie i et vakuum, noe som krever klumpete og dyrt utstyr," sa teamet i en uttalelse. Men mange laboratorier er ikke utstyrt for dette. Derfor vil enheten vår tillate flere forskere å utføre grunnleggende fysikkforskning i laboratoriet."
I tillegg vil enheten bidra til å utvikle lasere som krever mindre energi for å fungere. Terskelen for våre sterkt koblede topologisk polariserte lasere ved romtemperatur (15,2 μJ cm-2) er mye lavere enn for lavtemperatur III-V InGaAs svakt koblede system (~106 μJ cm-2) , som er omtrent en faktor syv lavere.