An integrated all-van der Waals nanobeam laser
Dit artikel demonstreert een volledig van van der Waals gebaseerde hoog- nanobeam-laser gebaseerd op een WS/MoSe/WS-heterostructuur die lasing bereikt met een bijna eenheidsmatige en directe kwantumoptische verificatie van de overgang van thermische naar Poissoniaanse fotonstatistiek, waarmee een schaalbaar platform voor geïntegreerde coherente lichtbronnen wordt gevestigd.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Stel je een wereld voor waarin licht niet alleen een straal uit een zaklamp is, maar een kleine, controleerbare stroom deeltjes die informatie kunnen dragen, computers kunnen voeden of ons zelfs kunnen helpen de kwantumwereld te zien. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd lichtbronnen te verkleinen tot de grootte van een enkele cel, het creëren van "nanolasers" die in de microchips van onze toekomstige smartphones of kwantumcomputers zouden passen. De grote uitdaging is geweest om deze minuscule lasers efficiënt genoeg te maken om te werken zonder een enorme stroomvoorziening nodig te hebben. Om dit te doen, gebruiken onderzoekers speciale materialen die halfgeleiders worden genoemd en slechts één atoom dik zijn. Denk aan deze materialen als vellen papier die zo dun zijn dat je er doorheen kunt kijken, maar die toch ongelooflijk goed zijn in het opvangen en vrijgeven van licht. Het doel is om dit licht in een piepklein doosje (een caviteit) te vangen, zodat het rondkaatst, sterker wordt en naar buiten schiet als een laser. Maar meestal zijn de "doos" en de "lichtmaker" van verschillende materialen gemaakt die aan elkaar zijn geplakt, wat niet erg efficiënt is. Dit nieuwe onderzoek stelt een eenvoudige maar gedurfde vraag: Wat als we de hele laser bouwen van alleen deze atoomdunne vellen, gestapeld als een perfecte sandwich?
Het team achter dit onderzoek, werkend aan de Technische Universiteit van Berlijn en de Technische Universiteit van Denemarken, heeft precies dat gebouwd: een laser die volledig is gemaakt van een stapel atoomdunne materialen, bekend als van der Waals-heterostructuren. Ze creëerden een kleine "nanobeam"-caviteit, wat in essentie een microscopische gang is met spiegels aan de uiteinden, gemaakt van lagen van een materiaal genaamd WS2 (wolfraamdisulfide). Binnen deze gang plaatsten ze een enkele laag van een ander materiaal, MoSe2 (molybdeendiselenide), dat fungeert als de brandstof of het "versterkingsmedium" dat het licht creëert. In tegen afhankelijk van eerdere pogingen waar de brandstof gewoon bovenop een kant-en-klare doos werd geplakt, is de brandstof hier direct in de wanden van de doos meegebakken. Dit ontwerp zorgt ervoor dat het licht en de brandstof perfect gemengd zijn, zoals een chef die niet alleen zout over een gerecht strooit, maar het in het deeg mengt voordat hij gaat bakken.
De resultaten zijn indrukwekkend. Wanneer ze het apparaat afkoelden tot cryogene temperaturen (extreem koud, rond de 4 Kelvin), begon de laser met ongelooflijke efficiëntie te werken. Het team mat een "bètafactor" van ongeveer 0,986. In de wereld van lasers vertegenwoordigt dit getal hoeveel van het licht dat natuurlijk door het materiaal wordt geproduceerd, in de laserstraal wordt gedwongen. Een waarde die dicht bij de 1,0 ligt, betekent dat de laser bijna "drempelloos" is, wat bijna geen extra energie vereist om te gaan vuren. Het apparaat vertoonde een vloeiende, "zachte" overgang van gloeien als een gewone gloeilamp naar vuren als een laser, in plaats van een plotselinge, schokkerige schakeling. Het zendt licht uit dat zeer richtinggevoelig is (dat recht naar buiten schiet als een laserpointer) en lineair gepolariseerd (de lichtgolven trillen in één enkele, nette richting).
De meest opwindende sectie van het artikel is echter hoe ze bewezen dat het daadwerkelijk om laseren ging en niet alleen om fel oplichten. Bij minuscule lasers is het vaak moeilijk om het verschil te zien tussen een echte laser en "versterkte spontane emissie" (wat lijkt op een menigte mensen die per ongeluk in koor schreeuwt in plaats van samen een lied te zingen). Om dit te beslechten, gebruikten de onderzoekers een kwantumoptische test. Ze maten de timing van de fotonen (lichtdeeltjes) die eruit kwamen. Onder de laser-drempel arriveerden de fotonen in willekeurige klontjes, zoals regendruppels die op een dak vallen (thermische statistiek). Maar zodien ze genoeg energie in pompten, arriveerden de fotonen in een perfecte, ritmische stroom, als een metronoom die tikt (Poisson-statistiek). De meting toonde aan dat het "klonteren" daalde van ongeveer 1,28 naar 1,07, een directe handtekening dat het apparaat de grens naar echt laseren had overschreden.
Het artikel ontdekte ook iets fascinerends over hoe deze kleine laser zich gedraagt. Omdat de caviteit zo klein is, gaat de laser niet direct aan; het heeft een beetje "jitter" (trilling). De timing van de lichtpulsen fluctueert lichtjes, een fenomeen dat bekend staat als "fluctuatie-gedomineerde laserdynamica". Dit gebeurt omdat de laser zo gevoelig is dat de willekeurige ruis van individuele fotonen kan vertragen wanneer de laser daadwerkelijk begint te vuren. De onderzoekers bevestigden dit door te observeren dat de autocorrelatiepieken (een manier om de tijdsrelatie tussen fotonen te meten) breder werden naarmate ze het vermogen verhoogden, wat aantoonde dat het ritme van de laser inderdaad werd beïnvloed door deze kleine kwantumfluctuaties.
Kortom, dit artikel demonstreert een volledig geïntegreerde laser die volledig is gemaakt van gestapelde atoomdunne materialen. Het bewijst dat deze materialen tegelijkertijd als de lichtbron, de spiegel en de golfgeleider kunnen fungeren. Hoewel de huidige apparaten bij zeer koude temperaturen werken en met de hand zijn gestapeld uit flinterdunne laagjes materiaal, legt de studie een duidelijk pad naar het bouwen van schaalbare, geïntegreerde kwantumfotonic circuits waar licht en materie perfect met elkaar verweven zijn. De auteurs suggereren dat met toekomstige verbeteringen, zoals het grootschalig vervaardigen van deze structuren of het toevoegen van elektrische verbindingen, deze technologie een belangrijke bouwsteen kan worden voor de volgende generatie ultra-snelle, op licht gebaseerde computers.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.