Miniatūra ierīce nodrošina jaudīgu lāzera izvadi istabas temperatūrā, samazina enerģijas patēriņu 7 reizes

Nesen ASV Renselāras Politehniskā institūta (Rensselaer Polytechnic Institute) pētnieki izgudroja mikroierīci, kas ir plānāka par cilvēka matu un kas var palīdzēt zinātniekiem izpētīt gaismas un matērijas būtību un atšķetināt kvantu lauka noslēpumus. Šīs tehnoloģijas svarīgākā priekšrocība ir tā, ka tā var darboties istabas temperatūrā un tai nav nepieciešama sarežģīta infrastruktūra.
Pētnieki teica: "Materiāla izvēle ir vissvarīgākā, un mēs esam pirmie, kas šim lietojumam izvēlas eksitonisko materiālu CsPbCl3." CsPbCl3 ir halkogenīda materiāls, ko pētnieki izmantoja, lai izveidotu fotoniskos topoloģiskos izolatorus (PTI).
Lai gan klasiskā fizika ir palīdzējusi mums izprast pasauli, tehnoloģiju attīstība lielā mērā ir saistīta ar kvantu mehāniku. No gaismas diodēm (LED) līdz lāzeriem, tranzistoriem un pat elektronu mikroskopiem kvantu mehānikas izpratne ir virzījusi lēcienus mūsdienu tehnoloģijās.
Tomēr kvantu valstībā joprojām ir daudz nezināmo, kas gaida izpēti. Pētnieki visā pasaulē izmanto vismodernākās iekārtas, lai pētītu atomu daļiņu uzvedību, lai uzlabotu viņu izpratni. Wei Bao, RPI Materiālzinātnes un inženierzinātņu katedras docents, un viņa komanda ir izvēlējušies unikālu ceļu.
Kas ir fotoniskais topoloģiskais izolators?
PTI ir materiāls, kas virza gaismas fotonus uz speciāli izstrādātām saskarnēm materiālā, vienlaikus novēršot gaismas izkliedi caur to. Šī īpašība ļauj vairākiem fotoniem materiālā palikt saskaņotiem un demonstrēt viena fotona uzvedību.
Izmantojot šo materiāla īpašību, RPI pētnieki izolatoru pārvērta par imitētu materiālu, lai izveidotu miniatūru laboratoriju fotonu kvantu īpašību izpētei.
Ierīces izgatavošanas laikā pētnieki izmantoja metodes, kas līdzīgas tām, ko izmanto mikroshēmu ražošanā. Viņi kārtoja dažādus materiālus slāni pa slānim, katrai molekulai rūpīgi izkārtojot, lai izveidotu struktūras ar īpašām īpašībām.
Pirmkārt, komanda izmantoja cēziju, svinu un hloru, lai izveidotu īpaši plānas halkogenīda plāksnes. Pēc tam viņi polimērā iegravēja konkrētus modeļus. Pēc tam kristāla plāksne un polimērs tika ievietoti starp plānām dažādu oksīdu materiālu loksnēm, kā rezultātā tika iegūta niecīga ierīce, kas ir aptuveni 2 mikronus bieza, 100 mikronus gara un mazāka par vidusmēra cilvēka matu diametru.
Kā ierīce darbojas?
Kad komanda ierīcē izmantoja lāzeru, materiāla saskarnē parādījās kvēlojošs trīsstūris. Šis modelis izriet no lāzera topoloģiskajām īpašībām, un to nosaka ierīces dizains.
Ierīces būtiska priekšrocība ir tās spēja darboties istabas temperatūrā. CsPbCl3 ir stabila eksitona saistīšanās enerģija līdz pat ~ 64 meV, kas krietni pārsniedz termiskās svārstības 25,8 meV istabas temperatūrā.
Agrāk pētnieki varēja superdzesēt vielu tikai vakuumā, kam bija nepieciešamas apjomīgas un dārgas iekārtas," teikts komandas paziņojumā. Taču daudzas laboratorijas tam nav aprīkotas. Tāpēc mūsu ierīce ļaus vairākiem pētniekiem veikt fizikas pamatpētījumus. laboratorijā."
Turklāt ierīce palīdzēs izstrādāt lāzerus, kuru darbībai nepieciešams mazāk enerģijas. Mūsu istabas temperatūrai spēcīgi savienoto topoloģiski polarizēto lāzeru (15,2 μJ cm-2) slieksnis ir daudz zemāks nekā zemas temperatūras III-V InGaAs vāji savienotās sistēmas (~106 μJ cm-2) slieksnis. , kas ir aptuveni septiņas reizes mazāks.