Miniaturní zařízení produkuje výkonný laser při pokojové teplotě, snižuje spotřebu energie 7krát

Nedávno výzkumníci amerického Rensselaer Polytechnic Institute (Rensselaer Polytechnic Institute) vynalezli mikrozařízení tenčí než lidský vlas, které může vědcům pomoci prozkoumat povahu světla a hmoty a odhalit záhady kvantového pole. Nejdůležitější výhodou této technologie je, že může pracovat při pokojové teplotě a nevyžaduje složitou infrastrukturu.
Výzkumníci řekli: "Výběr materiálu je prvořadý a my jsme první, kdo pro tuto aplikaci zvolil excitonický materiál CsPbCl3." CsPbCl3 je chalkogenidový materiál, který vědci použili k vytvoření fotonických topologických izolátorů (PTI).
Zatímco klasická fyzika nám pomohla porozumět světu, technologický pokrok za mnohé vděčí kvantové mechanice. Od diod vyzařujících světlo (LED) po lasery, tranzistory a dokonce i elektronové mikroskopy, porozumění kvantové mechanice způsobilo skoky a meze v moderní technologii.
V kvantové říši však stále existuje mnoho neznámých, které čekají na prozkoumání. Vědci z celého světa používají špičková zařízení ke studiu chování atomových částic, aby lépe porozuměli. Wei Bao, odborný asistent na katedře materiálových věd a inženýrství RPI, a jeho tým se vydali jedinečnou cestou.
Co je fotonický topologický izolátor?
PTI je materiál, který směruje fotony světla na speciálně navržená rozhraní v materiálu a zároveň zabraňuje rozptylu světla skrz něj. Tato vlastnost umožňuje, aby více fotonů v materiálu zůstalo koherentní a vykazovalo chování jediného fotonu.
Pomocí této vlastnosti materiálu výzkumníci RPI proměnili izolátor na simulovaný materiál, aby vytvořili miniaturní laboratoř pro studium kvantových vlastností fotonů.
Při výrobě zařízení výzkumníci použili techniky podobné těm, které se používají při výrobě mikročipů. Naskládali různé materiály vrstvu po vrstvě, přičemž každá molekula byla pečlivě uspořádána tak, aby vytvořila struktury se specifickými vlastnostmi.
Nejprve tým použil cesium, olovo a chlór k vytvoření ultratenkých desek chalkogenidu. Dále vyleptali konkrétní vzory do polymeru. Krystalová deska a polymer byly poté vloženy mezi tenké pláty různých oxidových materiálů, což vedlo k malému zařízení, které je silné asi 2 mikrony, 100 mikronů dlouhé a menší než průměr průměrného lidského vlasu.
Jak zařízení funguje?
Když tým použil na zařízení laser, na rozhraní materiálu se objevil vzor zářících trojúhelníků. Tento vzor vychází z topologických vlastností laseru a je dán konstrukcí zařízení.
Významnou výhodou zařízení je jeho schopnost pracovat při pokojové teplotě. CsPbCl3 má stabilní vazebnou energii excitonu až ~64 meV, což je výrazně nad tepelnou fluktuací 25,8 meV při pokojové teplotě.
V minulosti mohli výzkumníci hmotu podchladit pouze ve vakuu, což vyžaduje objemné a drahé vybavení," uvedl tým v prohlášení. Mnoho laboratoří na to ale není vybaveno. Naše zařízení proto umožní více výzkumníkům provádět základní fyzikální výzkum v laboratoři."
Zařízení navíc pomůže vyvinout lasery, které ke svému provozu vyžadují méně energie. Prahová hodnota našich silně vázaných topologicky polarizovaných laserů při pokojové teplotě (15,2 μJ cm-2) je mnohem nižší než u nízkoteplotního systému III-V InGaAs se slabou vazbou (~106 μJ cm-2) , což je asi sedmkrát nižší.