Minijaturni uređaj emitira snažan laser na sobnoj temperaturi, smanjuje potrošnju energije za 7 puta

Nedavno su istraživači američkog Politehničkog instituta Rensselaer (Rensselaer Polytechnic Institute) izumili mikrouređaj tanji od ljudske vlasi, koji može pomoći znanstvenicima da istraže prirodu svjetlosti i materije i razotkriju misterije kvantnog polja. Najvažnija prednost ove tehnologije je što može raditi na sobnoj temperaturi i ne zahtijeva složenu infrastrukturu.
Istraživači su rekli: "Izbor materijala je najvažniji, a mi smo prvi koji su odabrali ekscitonični materijal CsPbCl3 za ovu primjenu." CsPbCl3 je halkogenidni materijal koji su istraživači koristili za stvaranje fotonskih topoloških izolatora (PTI).
Dok nam je klasična fizika pomogla razumjeti svijet, tehnološki napredak mnogo duguje kvantnoj mehanici. Od svjetlećih dioda (LED) do lasera, tranzistora, pa čak i elektronskih mikroskopa, razumijevanje kvantne mehanike dovelo je do skokova u suvremenoj tehnologiji.
Međutim, još uvijek postoje mnoge nepoznanice u kvantnom području koje čekaju da budu istražene. Istraživači diljem svijeta koriste vrhunsku opremu za proučavanje ponašanja atomskih čestica kako bi unaprijedili njihovo razumijevanje. Wei Bao, docent na RPI-jevom Odjelu za znanost o materijalima i inženjerstvo, i njegov tim krenuli su jedinstvenim putem.
Što je fotonski topološki izolator?
PTI je materijal koji usmjerava fotone svjetlosti na posebno dizajnirana sučelja unutar materijala, a istovremeno sprječava raspršivanje svjetlosti kroz njega. Ovo svojstvo omogućuje više fotona unutar materijala da ostanu koherentni i pokazuju ponašanje jednog fotona.
Koristeći to svojstvo materijala, istraživači RPI-ja pretvorili su izolator u simulirani materijal kako bi stvorili minijaturni laboratorij za proučavanje kvantnih svojstava fotona.
Tijekom izrade uređaja, istraživači su koristili tehnike slične onima koje se koriste u proizvodnji mikročipova. Slagali su različite materijale sloj po sloj, pri čemu je svaka molekula pažljivo raspoređena kako bi izgradila strukture s određenim svojstvima.
Prvo, tim je koristio cezij, olovo i klor za stvaranje ultratankih ploča kalkogenida. Zatim su urezali specifične uzorke u polimer. Kristalna ploča i polimer zatim su umetnuti između tankih listova različitih oksidnih materijala, što je rezultiralo sićušnim uređajem koji je debljine oko 2 mikrona, dugačak 100 mikrona i manji je od promjera prosječne ljudske kose.
Kako uređaj radi?
Kad je tim upotrijebio laser na uređaju, na sučelju materijala pojavio se uzorak svjetlećih trokuta. Ovaj uzorak proizlazi iz topoloških svojstava lasera i diktiran je dizajnom uređaja.
Značajna prednost uređaja je njegova sposobnost rada na sobnoj temperaturi. CsPbCl3 ima stabilnu energiju vezivanja ekscitona do ~64 meV, znatno iznad toplinske fluktuacije od 25,8 meV na sobnoj temperaturi.
U prošlosti su istraživači mogli samo super ohladiti materiju u vakuumu, što zahtijeva glomaznu i skupu opremu," rekao je tim u izjavi. Ali mnogi laboratoriji nisu opremljeni za to. Stoga će naš uređaj omogućiti većem broju istraživača da provode osnovna istraživanja fizike u laboratoriju."
Osim toga, uređaj će pomoći u razvoju lasera koji zahtijevaju manje energije za rad. Prag naših snažno spregnutih topološki polariziranih lasera na sobnoj temperaturi (15,2 μJ cm-2) puno je niži od praga slabo spregnutog sustava III-V InGaAs niske temperature (~106 μJ cm-2) , što je otprilike faktor sedam niže.