אוניברסיטת פקינג גילתה מקור לייזר פרובסקיט רציף קטן ממיקרון מרובע אחד

אוניברסיטת פקין הצליחה להבין פרובסקיט רציףמקור לייזרקטן מ-1 מיקרון מרובע
חשוב לבנות מקור לייזר רציף עם שטח התקן קטן מ-1 מיקרומטר רבוע כדי לעמוד בדרישת צריכת האנרגיה הנמוכה של חיבור אופטי על השבב (<10 fJ bit-1). עם זאת, ככל שגודל ההתקן יורד, הפסדי האופטיקה והחומרים גדלים באופן משמעותי, כך שהשגת גודל התקן תת-מיקרון ושאיבה אופטית רציפה של מקורות לייזר היא מאתגרת ביותר. בשנים האחרונות, חומרי פרובסקיט הליד זכו לתשומת לב רבה בתחום לייזרים שאובים אופטית רציפה בשל ההגבר האופטי הגבוה שלהם ותכונות הפולריטון הייחודיות של אקסיטון. שטח ההתקן של מקורות לייזר פרובסקיט רציפים שדווחו עד כה עדיין גדול מ-10 מיקרומטר רבוע, ומקורות לייזר תת-מיקרון דורשים כולם אור פולס עם צפיפות אנרגיית שאיבה גבוהה יותר כדי לעורר.

בתגובה לאתגר זה, קבוצת המחקר של ג'אנג צ'ינג מבית הספר למדעי החומרים והנדסה באוניברסיטת פקינג הכינה בהצלחה חומרי גביש יחיד פרובסקיט תת-מיקרון באיכות גבוהה כדי להשיג מקורות לייזר שאיבה אופטית רציפה עם שטח התקן נמוך של 0.65 מיקרומטר רבוע. במקביל, נחשף הפוטון. מנגנון הפולריטון של אקסיטון בתהליך לייזר שאיבה אופטית רציפה תת-מיקרון מובן לעומק, מה שמספק רעיון חדש לפיתוח לייזרים מוליכים למחצה קטנים בעלי סף נמוך. תוצאות המחקר, שכותרתו "לייזרי פרובסקיט שאובים בגלים רציפים עם שטח התקן מתחת ל-1 מיקרומטר רבוע", פורסמו לאחרונה ב-Advanced Materials.

בעבודה זו, יריעת גביש יחיד CsPbBr3 אנאורגנית בגודל מיקרון הוכנה על מצע ספיר באמצעות שקיעת אדים כימית. נצפתה הצמדה חזקה של אקסיטונים פרובסקיטים עם פוטונים של חלל מיקרו בדופן הקול בטמפרטורת החדר הביאה להיווצרות פולריטון אקסיטוני. באמצעות סדרה של ראיות, כגון עוצמת פליטה ליניארית ללא ליניארית, רוחב קו צר, טרנספורמציית קיטוב פליטה וטרנספורמציית קוהרנטיות מרחבית בסף, אושרה לייזר הפלואורסצנציה הרציפה הנשאבת אופטית של גביש יחיד CsPbBr3 בגודל תת-מיקרון, ושטח המכשיר נמוך עד 0.65 מיקרומטר רבוע. במקביל, נמצא כי סף מקור הלייזר התת-מיקרון דומה לזה של מקור הלייזר הגדול, ואף יכול להיות נמוך יותר (איור 1).

איור 1. CsPbBr3 תת-מיקרון בשאיבה אופטית רציפהמקור אור לייזר

יתר על כן, עבודה זו בוחנת הן באופן ניסיוני והן באופן תיאורטי, וחושפת את המנגנון של אקסיטונים מקוטבים-אקסיטונים במימוש מקורות לייזר רציפים תת-מיקרון. הצימוד המשופר של פוטון-אקסיטון בפרובסקיטים תת-מיקרון מביא לעלייה משמעותית במקדם השבירה הקבוצתי לכ-80, מה שמגדיל באופן משמעותי את הגבר האופן כדי לפצות על אובדן האופן. זה גם מביא למקור לייזר פרובסקיט תת-מיקרון עם גורם איכות מיקרו-חלל יעיל גבוה יותר ורוחב קו פליטה צר יותר (איור 2). המנגנון מספק גם תובנות חדשות לגבי פיתוח לייזרים קטנים ובעלי סף נמוך המבוססים על חומרי מוליכים למחצה אחרים.

איור 2. מנגנון של מקור לייזר תת-מיקרון באמצעות פולריזונים אקסיטוניים

סונג ג'יפנג, סטודנט בז'יבו משנת 2020 מבית הספר למדעי החומרים והנדסה באוניברסיטת פקינג, הוא המחבר הראשון של המאמר, ואוניברסיטת פקינג היא היחידה הראשונה של המאמר. ג'אנג צ'ינג ושיונג צ'יהואה, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת צינגהואה, הם המחברים המתאימים. העבודה נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין וקרן המדע של בייג'ינג לצעירים מצטיינים.