Shanghai Institute of Optical Mechanics, Chinese Academy of Sciences, gjør fremskritt i symmetriteknikkbasert ultralavterskel Rydberg State Single-mode Polarized Exciton Lasing

Nylig har et team av forskere fra Research Center for Infrared Optical Materials, Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery (SIPM) ved det kinesiske vitenskapsakademiet (CAS), Hongxing Dong og Long Zhang, i samarbeid med Huazhong University of Science og Teknologi (HUST), rapporterte en ny mekanisme for å generere dynamisk avstembare enkeltmoduslasere fra excitonpolaritoneksitasjoner med ultralave terskler, og de relaterte forskningsresultatene er presentert i artikkelen "Rydberg State Single-Mode Polariton Lasing". Rydberg State Single-Mode Polariton Lasing with Ultralow Threshold via Symmetry Engineering" ble publisert i Nano Letters.
Realiseringen av enkeltmodus nano-lasere med høy energieffektivitet og justerbar båndbredde er avgjørende for mange teknologiske applikasjoner som all-optisk informasjonsbehandling, optisk kryptering, superoppløsning biomedisinsk bildebehandling og miniatyriserte smartskjermer. Flere strategier som for tiden er vedtatt for å skaffe enkeltmoduslasere har fortsatt begrensninger. I tillegg er de nåværende midlene for å regulere emisjonsbølgelengden iboende statiske, og nye mekanismer som er i stand til å generere dynamisk justerbare enkeltmoduslasere, må utforskes. Eksitonpolariserte eksitoner, som har egenskapene til både fotoner og eksitoner, har fått mye oppmerksomhet de siste årene. Sammenlignet med konvensjonelle lasere, krever ikke polariserte eksitonlasere inversjon av innstilt husnummer og kan oppnå modusinnstilling gjennom modulering av kvantiserte eksitonpolariserte eksitontilstander, som er en ideell plattform for studiet av dynamisk avstembare lasere med ultralav terskel.

Fig. 1 (a) Skjematisk diagram av en kvantepolarisert eksitontilstand i en symmetrisk felle; (b) simulerte PL-spektra som tilsvarer den eksperimentelle konfigurasjonen vist i a; (c) kvantepolarisert eksitontilstand i en asymmetrisk felle; (d) simulerte PL-spektre som tilsvarer den eksperimentelle konfigurasjonen vist i c; (e) SEM-bilde av en typisk ZnO-mikrostav; (f) vinkelløst PL-bilde av en typisk ZnO-mikrostav med en radius på 1,27 μm. (g) Romlig løst PL-bilde av en polarisert eksiton innesperret i en felle.
Forskerne rapporterer realiseringen av avstembar enkeltmodus polarisert eksiton som lasers fra svært begeistrede Rydberg-tilstander gjennom symmetriteknikk. Å bryte symmetrien til den polariserte eksitonbølgefunksjonen gjennom en potensiell felle og kontrollere den romlige overlappingen mellom forsterkningsregionen og egenmodusen muliggjør generering av reversible og dynamiske enkeltmodus polariserte eksitonlasere fra kvantiserte polariserte eksitontilstander. Å øke asymmetrien til den potensielle brønnen muliggjør enkeltmoduslasing selv i svært eksiterte tilstander med et hovedkvantenummer på N=14. I tillegg kan laserterskelen senkes med seks størrelsesordener sammenlignet med konvensjonell lasering på grunn av utmerket reservoaregenmodusoverlapping og effektiv romlig inneslutning. Mekanismen som er utdypet i forskningsresultatene er ikke avhengig av noe spesifikt materiale og er anvendelig for ulike polariserte eksitonsystemer, noe som åpner for en ny vei for utvikling av terskelfrie polariserte eksitonlasere med dynamisk avstemming.

Fig. 2 (ad) Pumpeposisjonsavhengighet av romlig oppløste PL-bilder i en symmetrisk felle. Δx gitt i hver figur representerer forskyvningen av eksitasjonslaserpunktet fra fellesenteret; (e) spektre som tilsvarer bildene vist i annonsen, henholdsvis; og (fi) pumpeposisjonsavhengighet av romlig oppløste PL-bilder i en asymmetrisk felle. Δx representerer forskyvningen av den pumpende laserflekken fra antipodalplanet til grunntilstandens polaritonbølgefunksjon. Pumpeeffekt: 1,25 Pth; (j) Spektra som tilsvarer bildene vist i henholdsvis f-1.

Fig. 3 (ad) Romlig oppløste PL-bilder av en svært asymmetrisk felle selektivt pumpet ved henholdsvis N=2, 3, 7 og 14 eksiterte tilstander med pumpeeffekt: 1,35 Pth; (e) Romlig oppløste PL-bilder av en svært asymmetrisk brønn selektivt pumpet ved henholdsvis N=2, 3, 7 og 14 eksiterte tilstander, med pumpeeffekt: 1,35 Pth.