Российский Квантовый Центр Russian Quantum Center

News / Новости

Физики создали двумерный лазерResearchers demonstrate atomically thin excitonic laser


2015-10-20

Физики из Национальной лаборатории Беркли впервые создали "двумерный" лазер - устройство, где генерация лазерного излучения происходит в слое вещества толщиной лишь в одну молекулу. Это открывает новые возможности для создания ультракомпактных оптоэлектронных и фотонных приборов.

Одна из самых обсуждаемых тем в мире современных нанотехнологий - двумерные материалы, состоящие из слоев толщиной в одну молекулу или в один атом. За создание двумерного углеродного материала - графена - была присуждена Нобелевская премия. Свойства 2D-материалов радикально отличаются от свойств их трехмерных аналогов, хотя химический состав идентичен. Ученые активно исследуют свойства двумерных переходных металлов - они отличаются от графена тем, что в них легче "включать" и "выключать" проводимость, поэтому они более пригодны в качестве элементов электронных устройств.

Один из самых многообещающих веществ здесь - дисульфид вольфрама, который обладает подходящими для оптоэлектронных и фотонных применений свойствами.

Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature Photonics, занимались созданием микрорезонаторов для плазмонов, электромагнитных колебаний, которые возникают на поверхности металлов. Эти микрорезонаторы основаны на принципе так называемой "шепчущей галереи", где слово, сказанное шепотом на одном конце галереи, ясно слышно на другом ее конце. В Российском квантовом центре созданием таких микрорезонаторов занимается лаборатория под руководством Михаила Городецкого.

Группа из Беркли смогла адаптировать технику микрорезонаторов для экситонов, возбужденных колебаний пар электрон-дырка. На основе экситонов можно создавать так называемые экситонные лазеры, где лазерное излучение генерируется при рекомбинации экситонов.

В результате они смогли создать экситонный лазер, где ключевым элементом - активной средой, где генерируется излучение, стал одномолекулярный слой дисульфида вольфрама.

Ученые отмечают, что двумерный дисульфид вольфрама отличается исключительно сильным уровнем взаимодействия излучения и материи, и эти свойства позволили создать лазер с исключительно высокими параметрами.

Это устройство можно будет использовать в оптоэлектронных и фотонных вычислительных устройствах и приборах для передачи данных, а также в будущих компьютерах, где информация будет кодироваться в спине и моменте электрона.

An important step towards next-generation ultra-compact photonic and optoelectronic devices has been taken with the realization of a two-dimensional excitonic laser. Scientists with the U.S. Department of Energy (DOE)'s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) embedded a monolayer of tungsten disulfide into a special microdisk resonator to achieve bright excitonic lasing at visible light wavelengths.

"Our observation of high-quality excitonic lasing from a single molecular layer of tungsten disulfide marks a major step towards two-dimensional on-chip optoelectronics for high-performance optical communication and computing applications," says Xiang Zhang, director of Berkeley Lab's Materials Sciences Division and the leader of this study.

Zhang, who also holds the Ernest S. Kuh Endowed Chair at the University of California (UC) Berkeley and is a member of the Kavli Energy NanoSciences Institute at Berkeley (Kavli ENSI), is the corresponding author of a paper describing this research in the journal Nature Photonics. The paper is titled "Monolayer excitonic laser." The lead authors are Yu Ye and Zi Jing Wong, members of Zhang's research group, plus Xiufang Lu, Xingjie Ni, Hanyu Zhu, Xianhui Chen and Yuan Wang.

Among the most talked about class of materials in the world of nanotechnology today are two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDCs). These 2D semiconductors offer superior energy efficiency and conduct electrons much faster than silicon. Furthermore, unlike graphene, the other highly touted 2D semiconductor, TMDCs have natural bandgaps that allow their electrical conductance to be switched "on and off," making them more device-ready than graphene. Tungsten disulfide in a single molecular layer is widely regarded as one of the most promising TMDCs for photonic and optoelectronic applications. However, until now, coherent light emission, or lasing, considered essential for "on-chip" applications, had not been realized in this material.

"TMDCs have shown exceptionally strong light-matter interactions that result in extraordinary excitonic properties," Zhang says. "These properties arise from the quantum confinement and crystal symmetry effect on the electronic band structure as the material is thinned down to a monolayer. However, for 2D lasing, the design and fabrication of microcavities that provide a high optical mode confinement factor and high quality, or Q, factor is required."

"Our observation of high-quality excitonic lasing from a single molecular layer of tungsten disulfide marks a major step towards two-dimensional on-chip optoelectronics for high-performance optical communication and computing applications," says Xiang Zhang, director of Berkeley Lab's Materials Sciences Division and the leader of this study.

In a previous study, Zhang and his research group had developed a "whispering gallery microcavity" for plasmons, electromagnetic waves that roll across the surfaces of metals. Based on the principle behind whispering galleries - where words spoken softly beneath a domed ceiling can be clearly heard on the opposite side of the chamber - this micro-sized metallic cavity for plasmons strengthened and greatly enhanced the Q factor of light emissions. In this new study, Zhang and his group were able to adapt this microcavity technology from plasmons to excitons - photoexcited electrons/hole pairs within a single layer of molecules.

"For our excitonic laser, we dropped the metal coating and designed a microdisk resonator that supports a dielectric whispering gallery mode rather than a plasmonic mode, and gives us a high Q factor with low power consumption," says co-lead author Ye. "When a monolayer of tungsten disulfide - serving as the gain medium - is sandwiched between the two dielectric layers of the resonator, we create the potential for ultralow-threshold lasing."

In addition to its photonic and optoelectronic applications, this 2D excitonic laser technology also has potential for valleytronic applications, in which digital information is encoded in the spin and momentum of an electron moving through a crystal lattice as a wave with energy peaks and valleys. Valleytronics is seen as an alternative to spintronics for quantum computing.

"TMDCs such as tungsten disulfide provide unique access to spin and valley degrees of freedom," says co-lead author Wong. "Selective excitation of the carrier population in one set of two distinct valleys can further lead to lasing in the confined valley, paving the way for easily-tunable circularly polarized lasers. The demand for circularly polarized coherent light sources is high, ranging from three-dimensional displays to effective spin sources in spintronics, and information carriers in quantum computation."

Source: Phys.org.



Lecture Courses | Курсы лекций