国外科学家利用奇异的量子态制造最小激光器
科学家通过在由物质和光组成的准粒子中产生一种被称为波色-爱因斯坦凝聚(BEC)的奇异量子态,朝着实现有史以来最小的固态激光器迈出了一步。尽管迄今为止仅在超冷温度下的二硒化钼(MoSe2)的原子级薄晶体中观察到这种现象,但它也可能在室温下的其他材料中产生。
当粒子冷却到接近绝对零度的温度时,物理粒子可能会放弃其独立性,它们会形成BEC态的物质,这些粒子都具有相同的量子态,因此它们一致行动就像超流体一样。由数万个粒子组成的BEC就好像它只是一个巨大的量子粒子一样。BEC代表了一种非经典的相变,其特征是量子粒子的集合塌陷成宏观的、相干的状态。
激子极化子的BEC
由德国奥尔登堡大学的Carlos Anton-Solanas和Christian Schneider领导的一个国际研究团队,研究成员德国维尔茨堡大学的Sven Höfling、美国亚利桑那州立大学的Sefaattin Tongay和中国西湖大学的Alexey Kavokin现在已经从原子级薄晶体中被称为激子极化子的准粒子里产生了BEC。当固体中的激发电子与光子强烈耦合时,就会形成这些准粒子。
Anton-Solanas是奥尔登堡大学物理研究所量子材料小组的成员。他表示,与目前的电子电路相比,能够控制这些新颖的光态的装置有望实现技术飞跃。这种使用光而不是电流进行操作的光电电路,在处理信息方面可能比当今的处理器更好、更快。
Anton-Solanas、Schneider及其同事研究了只有一个原子层厚的MoSe2晶体。MoSe2属于过渡金属二硫属化物(TMDC)的材料家族。在它们的大块形式中,这些材料充当间接带隙半导体,但当按比例缩小到单层厚度时,它们表现为直接带隙半导体,能够有效地吸收和发射光。
在他们的实验中,研究人员制造了一个不到一纳米厚的MoSe2薄片,并将它夹在由二氧化硅(SiO2)和二氧化钛(TiO2)材料交替组成的薄层之间,它们会像镜子一样反射光。由此形成的结构被称为微腔,就像一个光笼。Tongay说道:“这就像将发光材料困在一个只有镜子和镜子的房间里。光线被这些镜子反射,然后被材料来回吸收。”
发射的光突然增加
该团队将系统冷却至4K,并用短脉冲激光对其进行激发,以在MoSe2中产生激子。然后这些激子与微腔中的光耦合以产生激子极化子。研究人员使用了一种称为动量分辨光致发光光谱的技术,他们观察到样品的发射的光突然增加,超过某个阈值激光强度。研究人员表示,这与偏振光发射产生的干涉条纹一起表明,BEC是由激子-偏振子产生的。Anton-Solanas说:“理论上,这种现象可用于构建基于单层原子的相干光源......这意味着我们创造了有史以来最小的激光器。”
该团队在Nature Materials上报告了他们的工作,他们相信这种效应也可以在室温下的其他外子材料中产生,例如基于钨的TMDC或基于有机卤化物的材料。这意味着它可以在实际应用中被利用。为此,他们现在正在通过研究二硒化钨极化子在室温下的干涉特性来寻找凝结特征。(编译:Qtech)