Miniaturna naprava oddaja močan laser pri sobni temperaturi in zmanjša porabo energije za 7-krat

Pred kratkim so raziskovalci ameriškega politehničnega inštituta Rensselaer (Rensselaer Polytechnic Institute) izumili mikronapravo, tanjšo od človeškega lasu, ki lahko pomaga znanstvenikom pri raziskovanju narave svetlobe in snovi ter razvozlati skrivnosti kvantnega polja. Najpomembnejša prednost te tehnologije je, da lahko deluje pri sobni temperaturi in ne zahteva kompleksne infrastrukture.
Raziskovalci so dejali: "Izbira materiala je najpomembnejša in prvi smo izbrali ekscitonični material CsPbCl3 za to aplikacijo." CsPbCl3 je halkogenidni material, ki so ga raziskovalci uporabili za ustvarjanje fotonskih topoloških izolatorjev (PTI).
Medtem ko nam je klasična fizika pomagala razumeti svet, tehnološki napredek veliko dolguje kvantni mehaniki. Od svetlečih diod (LED) do laserjev, tranzistorjev in celo elektronskih mikroskopov je razumevanje kvantne mehanike povzročilo skokovite korake v sodobni tehnologiji.
Vendar pa je na kvantnem področju še veliko neznank, ki čakajo na raziskovanje. Raziskovalci po vsem svetu uporabljajo najsodobnejšo opremo za preučevanje vedenja atomskih delcev za nadaljnje razumevanje. Wei Bao, docent na Oddelku za znanost in inženirstvo materialov RPI, in njegova ekipa so ubrali edinstveno pot.
Kaj je fotonski topološki izolator?
PTI je material, ki usmerja fotone svetlobe na posebej oblikovane vmesnike znotraj materiala, hkrati pa preprečuje razprševanje svetlobe skozi material. Ta lastnost omogoča več fotonom v materialu, da ostanejo koherentni in se obnašajo kot en sam foton.
Z uporabo te lastnosti materiala so raziskovalci RPI izolator spremenili v simuliran material, da bi ustvarili miniaturni laboratorij za preučevanje kvantnih lastnosti fotonov.
Med izdelavo naprave so raziskovalci uporabili tehnike, podobne tistim, ki se uporabljajo pri izdelavi mikročipov. Različne materiale so zlagali plast za plastjo, pri čemer je bila vsaka molekula skrbno urejena za gradnjo struktur s posebnimi lastnostmi.
Najprej je ekipa uporabila cezij, svinec in klor za izdelavo ultratankih plošč halkogenida. Nato so v polimer vrezali posebne vzorce. Kristalna plošča in polimer sta bila nato stisnjena med tanke plošče različnih oksidnih materialov, kar je povzročilo majhno napravo, ki je debela približno 2 mikrona, dolga 100 mikronov in manjša od premera povprečnega človeškega lasu.
Kako naprava deluje?
Ko je ekipa na napravi uporabila laser, se je na materialnem vmesniku pojavil vzorec svetlečih trikotnikov. Ta vzorec izhaja iz topoloških lastnosti laserja in ga narekuje zasnova naprave.
Pomembna prednost naprave je njena zmožnost delovanja pri sobni temperaturi. CsPbCl3 ima stabilno vezavno energijo ekscitona do ~64 meV, kar je precej nad toplotno fluktuacijo 25,8 meV pri sobni temperaturi.
V preteklosti so lahko raziskovalci samo nadhladili snov v vakuumu, kar zahteva zajetno in drago opremo," je ekipa zapisala v izjavi. Toda številni laboratoriji za to niso opremljeni. Zato bo naša naprava več raziskovalcem omogočila izvajanje osnovnih fizikalnih raziskav v laboratoriju."
Poleg tega bo naprava pomagala razviti laserje, ki za delovanje potrebujejo manj energije. Prag naših močno sklopljenih topološko polariziranih laserjev pri sobni temperaturi (15,2 μJ cm-2) je precej nižji od praga nizkotemperaturnega šibko sklopljenega sistema III-V InGaAs (~106 μJ cm-2) , kar je približno sedem nižje.