Pekinška univerza je realizirala perovskitni neprekinjeni laserski vir, manjši od 1 kvadratnega mikrona

Pekinška univerza je izvedla perovskitno kontinuirnolaserski virmanjši od 1 kvadratnega mikrona
Pomembno je konstruirati neprekinjen laserski vir s površino naprave manjšo od 1 μm2, da se izpolni zahteva po nizki porabi energije pri optični medsebojni povezavi na čipu (<10 fJ bit-1). Vendar pa se z zmanjševanjem velikosti naprave znatno povečajo optične in materialne izgube, zato je doseganje submikronske velikosti naprave in neprekinjenega optičnega črpanja laserskih virov izjemno zahtevno. V zadnjih letih so halogenidni perovskitni materiali deležni velike pozornosti na področju neprekinjenih optično črpanih laserjev zaradi njihovega visokega optičnega ojačanja in edinstvenih lastnosti ekscitonskih polaritonov. Površina naprave perovskitnih neprekinjenih laserskih virov, o kateri so poročali do sedaj, je še vedno večja od 10 μm2, vsi submikronski laserski viri pa za stimulacijo potrebujejo pulzno svetlobo z višjo gostoto energije črpanja.

Kot odgovor na ta izziv je raziskovalna skupina Zhang Qinga s Šole za materialno znanost in inženirstvo Pekinške univerze uspešno pripravila visokokakovostne perovskitne submikronske monokristalne materiale za doseganje laserskih virov z neprekinjenim optičnim črpanjem s površino naprave le 0,65 μm2. Hkrati je bil razkrit foton. Mehanizem eksitonskega polaritona v procesu submikronskega neprekinjenega optičnega črpanja je dobro razumljen, kar ponuja novo idejo za razvoj majhnih polprevodniških laserjev z nizkim pragom. Rezultati študije z naslovom »Perovskitni laserji z neprekinjenim valovanjem in površino naprave pod 1 μm2« so bili nedavno objavljeni v reviji Advanced Materials.

V tem delu je bila mikronska plast anorganskega perovskitnega monokristala CsPbBr3 pripravljena na safirni podlagi s kemičnim nanašanjem iz pare. Ugotovljeno je bilo, da močna sklopitev perovskitnih eksitonov s fotoni mikrovotline zvočne stene pri sobni temperaturi povzroči nastanek eksitonskih polaritonov. Z vrsto dokazov, kot so linearna do nelinearna emisijska intenzivnost, ozka širina črte, transformacija emisijske polarizacije in prostorska koherenčna transformacija pri pragu, je potrjena neprekinjena optično črpana fluorescenčna laserska svetloba monokristala CsPbBr3 submikronske velikosti, površina naprave pa je le 0,65 μm2. Hkrati je bilo ugotovljeno, da je prag submikronskega laserskega vira primerljiv s pragom velikega laserskega vira in je lahko celo nižji (slika 1).

Slika 1. Neprekinjeno optično črpan submikronski CsPbBr3laserski vir svetlobe

Nadalje to delo eksperimentalno in teoretično raziskuje mehanizem eksitonsko polariziranih eksitonov pri realizaciji submikronskih kontinuirnih laserskih virov. Izboljšana fotonsko-eksitonska sklopitev v submikronskih perovskitih povzroči znatno povečanje skupinskega lomnega količnika na približno 80, kar bistveno poveča ojačanje moda in tako kompenzira izgubo moda. To ima za posledico tudi perovskitni submikronski laserski vir z višjim efektivnim faktorjem kakovosti mikrovotline in ožjo širino emisijske črte (slika 2). Mehanizem ponuja tudi nove vpoglede v razvoj majhnih laserjev z nizkim pragom, ki temeljijo na drugih polprevodniških materialih.

Slika 2. Mehanizem submikronskega laserskega vira z uporabo eksitonskih polarizonov

Song Jiepeng, študent Zhibo iz leta 2020 s Šole za materiale in inženirstvo Univerze v Pekingu, je prvi avtor članka, Univerza v Pekingu pa je prva enota članka. Zhang Qing in Xiong Qihua, profesor fizike na Univerzi Tsinghua, sta korespondenčna avtorja. Delo sta podprli Nacionalna fundacija za naravoslovje Kitajske in Pekinška znanstvena fundacija za izjemne mlade ljudi.