En su última línea de investigación, Cun-Zheng Ning, profesor de ingeniería eléctrica en las Escuelas de Ingeniería Ira A. Fulton de la Universidad Estatal de Arizona, y sus compañeros exploraron el intrincado equilibrio de la física que gobierna cómo los electrones, agujeros los excitones y triones coexisten y se convierten mutuamente para producir ganancia óptica. Sus resultados, dirigido por el profesor asociado de la Universidad de Tsinghua, Hao Sun, fueron publicados recientemente en el Naturaleza publicación Luz:ciencia y aplicaciones .

"Al estudiar los procesos ópticos fundamentales de cómo un trión puede emitir un fotón [una partícula de luz] o absorber un fotón, descubrimos que la ganancia óptica puede existir cuando tenemos suficientes triones de población, "Ning dice". Además, el valor umbral para la existencia de dicha ganancia óptica puede ser arbitrariamente pequeño, sólo limitado por nuestro sistema de medición ".

En el experimento de Ning, el equipo midió la ganancia óptica a niveles de densidad de cuatro a cinco órdenes de magnitud:10, 000 a 100, 000 veces:más pequeños que los de los semiconductores convencionales que alimentan dispositivos optoelectrónicos, como escáneres de códigos de barras y láseres utilizados en herramientas de telecomunicaciones.

Ning se ha visto impulsado a hacer tal descubrimiento por su interés en un fenómeno llamado la transición de Mott, un misterio no resuelto en física sobre cómo los excitones forman triones y conducen la electricidad en los materiales semiconductores hasta el punto en que alcanzan la densidad de Mott (el punto en el que un semiconductor cambia de un aislante a un conductor y se produce la ganancia óptica por primera vez).

Pero la energía eléctrica necesaria para lograr la transición y densidad de Mott es mucho más de lo que es deseable para el futuro de la computación eficiente. Sin nuevas capacidades de nano-láser de baja potencia como las que está investigando, Ning dice que se necesitaría una pequeña central eléctrica para operar una supercomputadora.

"Si se puede lograr una ganancia óptica con complejos excitónicos por debajo de la transición de Mott, a bajos niveles de entrada de energía, Se podrían fabricar futuros amplificadores y láseres que requirieran una pequeña cantidad de potencia de conducción, "Dice Ning.

Este desarrollo podría cambiar las reglas del juego para la fotónica energéticamente eficiente, o dispositivos basados ​​en la luz, y proporcionar una alternativa a los semiconductores convencionales, que tienen una capacidad limitada para crear y mantener suficientes excitones.

Como Ning observó en experimentos previos con materiales 2-D, es posible lograr una ganancia óptica antes de lo que se creía anteriormente. Ahora, él y su equipo han descubierto un mecanismo que podría hacer que funcione.

"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, "Ning" dice. "Interacciones de carga tan fuertes hacen que los excitones y triones sean muy estables incluso a temperatura ambiente".

Esto significa que el equipo de investigación podría explorar el equilibrio de los electrones, agujeros excitones y triones, así como controlar su conversión para lograr una ganancia óptica a niveles de densidad muy bajos.

"Cuando hay más electrones en el estado trión que en su estado original de electrones, ocurre una condición llamada inversión de población, "Ning" dice. "Se pueden emitir más fotones de los que se absorben, que conduce a un proceso llamado emisión estimulada y amplificación o ganancia óptica ".

Resolviendo misterios del nanolaser, un paso de ciencia fundamental a la vez

Si bien este nuevo descubrimiento agregó una pieza al rompecabezas de transición de Mott, descubrió un nuevo mecanismo que los investigadores pueden explotar para crear nano láseres semiconductores 2-D de baja potencia, Ning dice que aún no están seguros de si este es el mismo mecanismo que condujo a la producción de sus nanoláseres de 2017.

Aún se está trabajando para resolver los misterios restantes.

En la década de 1990 se llevaron a cabo experimentos trion similares con semiconductores convencionales, Ning dice:"pero los excitones y triones eran tan inestables, tanto la observación experimental como, especialmente, La utilización de este mecanismo de 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 estas observaciones ".

Este interesante desarrollo de Ning y su equipo de investigación se encuentra solo en el nivel científico fundamental. Sin embargo, la investigación fundamental puede conducir a cosas interesantes.

"La ciencia básica es un esfuerzo mundial y todos se benefician si las mejores personas de todas partes pueden participar. ASU ha proporcionado un entorno abierto y libre, especialmente para colaboraciones internacionales con los mejores grupos de investigación en China, Alemania, Japón y en todo el mundo, "Dice Ning.

Su equipo tiene más trabajo por hacer para estudiar cómo funciona este nuevo mecanismo de ganancia óptica a diferentes temperaturas, y cómo usarlo para crear los nanoláseres a propósito.

"El siguiente paso es diseñar láseres que puedan operar específicamente utilizando los nuevos mecanismos de ganancia óptica, "Dice Ning.

Con los cimientos de la física puestos, eventualmente podrían aplicarse para crear nuevos nanoláseres que podrían cambiar el futuro de la supercomputación y los centros de datos.

"El sueño a largo plazo es combinar láseres y dispositivos electrónicos en una única plataforma integrada, para habilitar una supercomputadora o centro de datos en un chip, "Ning" dice. "Para tales aplicaciones futuras, nuestros láseres semiconductores actuales son todavía demasiado grandes para integrarlos con dispositivos electrónicos ".