Peranti Miniatur Mengeluarkan Laser Kuat Pada Suhu Bilik, Mengurangkan Penggunaan Kuasa sebanyak 7 Kali

Baru-baru ini, penyelidik Institut Politeknik Rensselaer AS (Institut Politeknik Rensselaer) mencipta peranti mikro yang lebih nipis daripada rambut manusia, yang boleh membantu saintis meneroka sifat cahaya dan jirim, dan membongkar misteri medan kuantum. Kelebihan paling penting teknologi ini ialah ia boleh berfungsi pada suhu bilik dan tidak memerlukan infrastruktur yang kompleks.
Para penyelidik berkata, "Pilihan bahan adalah yang terpenting, dan kami adalah yang pertama memilih bahan eksitonik CsPbCl3 untuk aplikasi ini." CsPbCl3 ialah bahan chalcogenide yang digunakan oleh penyelidik untuk mencipta penebat topologi fotonik (PTI).
Walaupun fizik klasik telah membantu kita memahami dunia, kemajuan teknologi berhutang banyak kepada mekanik kuantum. Daripada diod pemancar cahaya (LED) kepada laser, transistor dan juga mikroskop elektron, pemahaman tentang mekanik kuantum telah memacu lonjakan dalam teknologi moden.
Walau bagaimanapun, masih banyak yang tidak diketahui dalam alam kuantum menunggu untuk diterokai. Penyelidik di seluruh dunia menggunakan peralatan canggih untuk mengkaji kelakuan zarah atom untuk melanjutkan pemahaman mereka. Wei Bao, penolong profesor di Jabatan Sains dan Kejuruteraan Bahan RPI, dan pasukannya telah mengambil jalan yang unik.
Apakah penebat topologi fotonik?
PTI ialah bahan yang mengarahkan foton cahaya ke antara muka yang direka khas dalam bahan sambil juga menghalang cahaya daripada bertaburan melaluinya. Sifat ini membenarkan berbilang foton dalam bahan kekal koheren dan mempamerkan tingkah laku foton tunggal.
Menggunakan sifat bahan ini, penyelidik RPI menukar penebat menjadi bahan simulasi untuk mencipta makmal kecil untuk mengkaji sifat kuantum foton.
Semasa fabrikasi peranti, penyelidik menggunakan teknik yang serupa dengan yang digunakan dalam fabrikasi mikrocip. Mereka menyusun bahan yang berbeza lapisan demi lapisan, dengan setiap molekul disusun dengan teliti untuk membina struktur dengan sifat tertentu.
Pertama, pasukan menggunakan cesium, plumbum dan klorin untuk mencipta plat ultra-nipis chalcogenide. Seterusnya, mereka mengukir corak tertentu ke dalam polimer. Plat kristal dan polimer kemudian diapit di antara kepingan nipis bahan oksida yang berbeza, menghasilkan peranti kecil yang tebalnya kira-kira 2 mikron, panjang 100 mikron, dan kurang daripada diameter rata-rata rambut manusia.
Bagaimanakah peranti berfungsi?
Apabila pasukan menggunakan laser pada peranti, corak segitiga bercahaya muncul pada antara muka bahan. Corak ini berpunca daripada sifat topologi laser dan ditentukan oleh reka bentuk peranti.
Kelebihan ketara peranti ini ialah keupayaannya untuk beroperasi pada suhu bilik.CsPbCl3 mempunyai tenaga pengikat exciton yang stabil sehingga ~64 meV, jauh melebihi turun naik terma 25.8 meV pada suhu bilik.
Pada masa lalu, penyelidik hanya boleh menyejukkan bahan dalam vakum, yang memerlukan peralatan yang besar dan mahal," kata pasukan itu dalam satu kenyataan. Tetapi banyak makmal tidak dilengkapi untuk ini. Oleh itu, peranti kami akan membolehkan lebih ramai penyelidik menjalankan penyelidikan fizik asas dalam makmal."
Di samping itu, peranti ini akan membantu membangunkan laser yang memerlukan kurang tenaga untuk beroperasi. Ambang laser terpolar topologi berganding kukuh suhu bilik kami (15.2 μJ cm-2) adalah jauh lebih rendah daripada sistem gandingan lemah III-V InGaAs suhu rendah (~106 μJ cm-2) , iaitu kira-kira faktor tujuh lebih rendah.