中国科学院 电选通2D材料中的三子光学增益机制:泵浦激光产生的激子结合形成三子
一束微弱的探测光从三极管上反射回来，通过发射一个光子和一个电子被放大
委托代理人:王震、、张启耀、冯嘉斌、张建兴、李永卓、宁存正 光增益是光放大器或激光器中信号放大的先决条件
在传统半导体中，它通常需要高水平的电流注入
通过探索原子般薄的二维材料中激子和三子的复杂平衡和转换，作者发现了一种新的增益机制，它需要比传统半导体低几个数量级的输入功率
这种新的增益机制有可能使激光器的输入功率极低
在《光科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，清华大学和亚利桑那州立大学的研究人员报告了他们对激子、三子和相关配合物的基础物理的研究结果
激子是由电子和空穴形成的准粒子，空穴是当电子在半导体中被激发时留下的
这种激子可以带电，当它进一步与另一个电子或空穴结合时，形成所谓的三子
该团队通过探索激子、电子、空穴和三子的复杂平衡和转换，发现了一个有趣的过程，该过程提供了光学增益，这是半导体中信号放大或激光发射的先决条件
有趣的是，实现这种光学增益所需的输入功率水平极低:比传统半导体如GaAs或磷化铟低4到5个数量级，后者是目前光电子器件的主要材料
几十年来，这些激子相关复合物的分布及其动态相互转换一直是固态物理的核心
随着我们将越来越多的激子引入半导体，这些激子如何形成更复杂的粒子并最终转变成目标粒子的电离导电相，仍然存在未解决的问题
这个过程被称为莫特转变，以著名的英国诺贝尔物理学家内维尔·弗朗西斯·莫脱爵士的名字命名
光学增益发生的传统理论认为，在具有自由移动电荷的半导体中，在莫特跃迁之前，自由激子不能产生光学增益
光增益发生在电子密度超过所谓的莫特密度之后，莫特密度通常是每平方厘米数万亿粒子数量级的高密度
这种极高的密度需要注入大量的电流或电能
我们目前为互联网、数据中心和许多其他应用供电的大多数半导体激光器都是基于这种半导体
因此，探索光学增益的出现与莫特跃迁之间的关系，特别是在莫特跃迁之前寻找低密度下光学增益的新机制，不仅是固体物理中的一个重要基础问题，而且在光子学的器件应用中也很重要
如果在低功率输入下，利用莫特跃迁以下的激子复合物可以获得光学增益，未来的放大器和激光器可能需要少量的驱动功率
这显然是当前对高能效光子器件或绿色光子学的极大兴趣
但不幸的是，这些问题在传统的半导体中不能得到充分和系统的研究，因为激子本身不是很稳定，追求更高的激子复合物的能力是有限的
原子薄层材料的出现使得这种研究成为可能，也更有意义
这些材料只包含几层原子
由于材料的薄，电子和空穴相互吸引的能力比传统半导体强几百倍
如此强的电荷相互作用使得激子和三子即使在室温下也非常稳定
这就是为什么作者能够探索如此复杂的平衡，并仔细控制它们的相互转换以获得光学增益的原因
通过激光的光抽运产生激子，激子与部分电子形成三子，其数量由栅极电压控制
当处于三子态的电子比处于电子态的多时，就会出现一种叫做粒子数反转的情况
发射的光子比吸收的多，这导致了一个叫做受激辐射和光学放大或增益的过程
“这项研究的另一个动机是近年来该领域一些引人注目的实验之间的明显矛盾
有一些实验报道了使用二维材料作为增益介质的激光演示
当激子是主要的发光机制时，这些激光器需要非常低的泵浦水平
但目前唯一能证明这种材料中存在光增益的实验需要更高水平的泵浦，”研究小组负责人宁说
宁注意到激光实验中的密度比莫特密度小3到5个数量级，而光学增益仅在莫特转变之后观察到
由于激光操作需要光学增益的存在，宁问道:“那些激光实验中，光学增益是从哪里来的？”或者“在如此低的光抽运水平下，光增益的机制是什么？或者更一般地说，“在莫特跃迁之前，有什么可能的新增益机制吗？“这些问题导致了他们几年前开始的实验研究
“我们已经系统地对这个问题进行了2-3年的实验
“我们从二维钼靶上反射出一束宽光谱的光，仔细观察反射信号是大于还是小于入射光束，以寻找任何光放大的迹象，”孙浩说，他是这篇论文的主要作者，负责光学测量
“可以肯定的是，在20世纪90年代，人们用传统半导体进行了一个类似的三重增益实验，”宁说
“但是激子和三子是如此不稳定，无论是实验观察还是特别是将这种光学增益用于实际器件都是极其困难的
宁指出:“由于激子和三子在二维材料中更稳定，因此有新的机会从这一观察中制造现实世界的器件。”
“就目前而言，这个结果属于基础物理研究，但对于半导体中所有重要的观察，它们最终可能被用于制造真正的激光器，”宁评论说
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