La ganancia óptica es un requisito previo para la amplificación de la señal en un amplificador óptico o láser. Por lo general, requiere altos niveles de inyección de corriente en semiconductores convencionales. Al explorar un intrincado equilibrio y conversión de excitones y triones en materiales bidimensionales atómicamente delgados, los autores encontraron un nuevo mecanismo de ganancia que requiere una potencia de entrada varios órdenes de magnitud menor que en los semiconductores convencionales. Este nuevo mecanismo de ganancia podría potencialmente permitir fabricar láseres con una potencia de entrada extremadamente baja.

En un nuevo artículo publicado en Ciencias de la luz y aplicaciones , investigadores de la Universidad de Tsinghua y la Universidad Estatal de Arizona informan sus resultados sobre el estudio de la física fundamental de los excitones, triones y complejos relacionados. Los excitones son cuasi-partículas formadas por un electrón y un vacío llamado hueco que queda cuando un electrón se excita en un semiconductor. Tal excitón se puede cargar, para formar un trión cuando se une más a otro electrón o un agujero. El equipo descubrió un proceso interesante que da ganancia óptica, un requisito previo para la amplificación de la señal o el láser en un semiconductor, explorando el intrincado equilibrio y conversión de excitones, electrones, agujeros y triones. Curiosamente, el nivel requerido de potencia de entrada para realizar tal ganancia óptica es extremadamente bajo:4 a 5 órdenes de magnitud más bajo que en un semiconductor convencional como GaAs o InP, que son los materiales de caballo de batalla para los dispositivos optoelectrónicos en la actualidad.

La distribución de estos complejos relacionados con los excitones y su conversión mutua dinámica están en el corazón mismo de la física del estado sólido durante muchas décadas. Todavía hay problemas sin resolver sobre cómo estos excitones forman partículas más complejas y eventualmente se transforman en una fase conductora ionizada de partículas cargadas a medida que introducimos más y más de ellas en un semiconductor. Este proceso se llama transición de Mott, después de Sir Nevill Francis Mott, el célebre físico británico ganador del Nobel. La teoría convencional para la aparición de ganancia óptica dice que los excitones libres no pueden producir ganancia óptica antes de la transición de Mott en un semiconductor con cargas que se mueven libremente. La ganancia óptica ocurre después de que la densidad de electrones excede la llamada densidad de Mott, típicamente un nivel muy alto de densidad del orden de billones de partículas por centímetro cuadrado. Una densidad tan extremadamente alta requiere un alto nivel de inyección de corriente eléctrica, o energía eléctrica. La mayoría de nuestros láseres semiconductores actuales que alimentan nuestro Internet, centros de datos, y muchas otras aplicaciones se basan en tales semiconductores.

Explorando la relación entre la ocurrencia de ganancia óptica y la transición de Mott, especialmente la búsqueda de nuevos mecanismos de ganancia óptica a bajas densidades antes de la transición de Mott no es, por tanto, solo una cuestión de fundamental importancia en la física del estado sólido, también es importante en aplicaciones de dispositivos en fotónica. Si se puede lograr una ganancia óptica con complejos excitónicos por debajo de la transición de Mott a niveles bajos de entrada de energía, Se podrían fabricar futuros amplificadores y láseres que requirieran una pequeña cantidad de potencia de excitación. Obviamente, esto es de gran interés en la actualidad para los dispositivos fotónicos energéticamente eficientes o la fotónica verde. Pero desafortunadamente, estos problemas no podrían explorarse completa y sistemáticamente en un semiconductor convencional porque los excitones en sí mismos no son muy estables y la posibilidad de perseguir complejos excitónicos superiores es limitada.

La reciente aparición de materiales en capas atómicamente delgadas hizo posible y significativo ese estudio. Estos materiales comprenden solo unas pocas capas de átomos. Debido a la delgadez de los materiales, los electrones y los huecos se atraen entre sí cientos de veces más fuerte que en los semiconductores convencionales. Estas fuertes interacciones de carga hacen que los excitones y triones sean muy estables incluso a temperatura ambiente. Esta fue la razón por la que los autores pudieron explorar un equilibrio tan intrincado y controlar cuidadosamente su conversión mutua para lograr una ganancia óptica. Creando excitones mediante bombeo óptico por láser, los excitones forman triones con parte de los electrones cuyo número está controlado por un voltaje de puerta. Cuando hay más electrones en el estado trión que en el estado electrónico, ocurre una condición llamada inversión de población. Se pueden emitir más fotones de los que se absorben, que conduce a un proceso llamado emisión estimulada y amplificación o ganancia óptica.

"Otra motivación para este estudio fue la aparente contradicción entre algunos experimentos de alto perfil en el campo en los últimos años. Ha habido algunos experimentos que informaron demostraciones de láser utilizando materiales 2-D como medios de ganancia. Los láseres requerían un nivel muy bajo de bombeo cuando los excitones son el mecanismo de emisión de luz dominante. Pero el único experimento existente que demostró la existencia de ganancia óptica en tales materiales requiere un nivel mucho mayor de bombeo, "dijo Ning, quien lidera el equipo de investigación. Ning notó que las densidades en los experimentos con láser son más pequeñas que la densidad de Mott en 3 a 5 órdenes de magnitud, mientras que la ganancia óptica solo se observó después de la transición de Mott. Dado que el funcionamiento del láser requiere la existencia de ganancia óptica, Ning preguntó:"¿De dónde viene la ganancia óptica en esos experimentos con láser?" O "¿Cuáles son los mecanismos de ganancia óptica a un nivel tan bajo de bombeo óptico? O, de manera más general, "¿Hay posibles nuevos mecanismos de ganancia antes de la transición de Mott?" Estas preguntas llevaron a su investigación experimental que comenzó hace varios años.

"Hemos perseguido sistemáticamente este problema de forma experimental durante 2 o 3 años. Hicimos rebotar un haz de luz de amplio espectro en ditelurida de molibdeno 2-D y observamos cuidadosamente si la señal reflejada es más grande o más pequeña que el haz incidente para buscar alguna señal. de amplificación de luz, "dijo Hao Sun, quien es el autor principal de este artículo a cargo de la medición óptica.

"Para estar seguro, En la década de 1990 se llevó a cabo un experimento similar de ganancia de triones con semiconductores convencionales, "notó Ning." Pero los excitones y triones eran tan inestables, tanto la observación experimental como, especialmente, La utilización de esta ganancia óptica para dispositivos reales es extremadamente difícil "." Dado que los excitones y triones son mucho más estables en los materiales 2-D, hay nuevas oportunidades para hacer dispositivos del mundo real a partir de esta observación, "señaló Ning." Por el momento, este resultado pertenece a la investigación física básica, pero en cuanto a todas las observaciones importantes en semiconductores, eventualmente podrían aplicarse a la fabricación de láseres reales, "comentó Ning.