作者莫尼克·克莱门特，亚利桑那州立大学 艾拉电气工程教授宁村正
亚利桑那州立大学富尔顿工程学院和中国清华大学的合作者发现了一种物理过程，使得低功率纳米激光器能够在2D半导体材料中生产
了解纳米级激光背后的物理原理以及它们与半导体的相互作用，对于超级计算机和数据中心的高速通信通道具有重要意义
信用:朗达·希区柯克-马斯特/亚利桑那州立大学 在他最新的研究中，爱尔兰共和军的电子工程教授宁村正
亚利桑那州立大学的富尔顿工程学院和他的同事们探索了复杂的物理平衡，这种平衡决定了电子、空穴、激子和三子如何共存并相互转化以产生光学增益
由清华大学副教授孙浩领导的他们的研究结果最近发表在《自然》杂志上
宁说:“在研究三子如何发射光子(光的粒子)或吸收光子的基本光学过程时，我们发现当我们有足够的三子数目时，光学增益就可以存在。”
“此外，这种光学增益存在的阈值可以任意小，只受我们的测量系统的限制
" 在宁的实验中，研究小组测量了密度水平为4到5个数量级的光增益，比传统半导体中的光增益小10，000到100，000倍，传统半导体为光电子器件供电，如条形码扫描仪和电信工具中使用的激光器
宁之所以有这样的发现，是因为他对一种叫做莫特跃迁的现象感兴趣。莫特跃迁是物理学中一个未解之谜，它是关于激子如何形成三子，并在半导体材料中导电到达到莫tt密度(半导体从绝缘体变成导体，光增益首先出现的点)
但是实现莫特跃迁和密度所需的电能远远超过未来高效计算所需的电能
宁说，如果没有像他正在研究的那种新的低功率纳米激光能力，一台超级计算机将需要一个小型发电站来运行
宁说:“如果在莫特跃迁下面的激子复合物可以实现光学增益，在低水平的功率输入下，未来的放大器和激光器可能需要少量的驱动功率。”
这一发展可能会改变高能效光子学或基于光的器件的游戏规则，并为传统半导体提供一种替代方案，传统半导体在创造和维持足够多激子的能力方面受到限制
正如宁在之前的二维材料实验中所观察到的，获得光学增益的时间可能比之前认为的要早
现在，他和他的团队发现了一种可以让它工作的机制
宁说:“由于这种材料很薄，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
" 这意味着研究小组可以探索电子、空穴、激子和三子的平衡，并控制它们的转换，以在非常低的密度水平下实现光学增益
宁说:“当处于三子态的电子比其原始电子态多时，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，这导致了一个被称为受激辐射和光学放大或增益的过程
" 在由宁村正和他的亚利桑那州立大学和清华大学的合作者进行的研究中，一层2D材料被放置在一个精心设计的基底上，用金作为背栅来控制材料中的电子数
另一种激光泵浦2D材料来产生激子，其中一些激子与预先存在的电子形成三子
监控反射光以发现放大信号
信用:村正宁 解开纳米激光之谜，一步一个脚印的基础科学 虽然这一新发现为莫特跃迁之谜增加了一部分——它揭示了一种新的机制，研究人员可以利用这种机制来制造低功率二维半导体纳米激光器——但宁说，他们还不确定这是否是导致他们2017年纳米激光器生产的相同机制
解决剩余谜团的工作仍在进行
宁说，在20世纪90年代，人们用传统半导体进行了类似的三子实验，“但是激子和三子都非常不稳定，无论是实验观察还是将这种光增益机制用于实际器件都非常困难
" “由于激子和三子在二维材料中更加稳定，因此有新的机会从这些观察中制造出真实世界的器件
" 宁和他的研究团队的这一有趣的进展仅处于基础科学水平
然而，基础研究可以带来令人兴奋的事情
“基础科学是一项世界性的努力，如果各地最优秀的人都能参与进来，每个人都会受益
华硕提供了一个开放和自由的环境，特别是与中国、德国、日本和世界各地的顶尖研究团队进行国际合作，”宁说
他的团队还需要做更多的工作来研究这种新的光学增益机制在不同温度下是如何工作的，以及如何有目的地利用它来制造纳米激光器
宁说:“下一步是设计能够利用新的光学增益机制专门工作的激光器。”
随着物理学基础的奠定，它们最终可以被用于制造新的纳米激光，从而改变超级计算和数据中心的未来
“长期的梦想是将激光和电子设备结合在一个单一的集成平台上，使一个超级计算机或数据中心在一个芯片上，”宁说
“对于这样的未来应用，我们目前的半导体激光器仍然太大，无法与电子设备集成
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