Miniatuurne seade annab toatemperatuuril võimsa laseri, vähendab energiatarbimist 7 korda

Hiljuti leiutasid USA Rensselaeri polütehnilise instituudi (Rensselaer Polytechnic Institute) teadlased juuksekarvast õhema mikroseadme, mis võib aidata teadlastel uurida valguse ja aine olemust ning lahti harutada kvantvälja saladusi. Selle tehnoloogia kõige olulisem eelis on see, et see suudab töötada toatemperatuuril ega vaja keerukat infrastruktuuri.
Teadlased ütlesid: "Materjali valik on esmatähtis ja me oleme esimesed, kes valivad selle rakenduse jaoks eksitoonilise materjali CsPbCl3." CsPbCl3 on kalkogeniidmaterjal, mida teadlased kasutasid fotooniliste topoloogiliste isolaatorite (PTI) loomiseks.
Kuigi klassikaline füüsika on aidanud meil maailma mõista, võlgneb tehnoloogiline areng palju kvantmehaanikale. Valgusdioodidest (LED-idest) laserite, transistoride ja isegi elektronmikroskoopideni – kvantmehaanika mõistmine on kaasaegses tehnoloogias hüppeliselt liikunud.
Siiski on kvantvaldkonnas veel palju tundmatuid, mis ootavad uurimist. Teadlased üle maailma kasutavad aatomiosakeste käitumise uurimiseks tipptasemel seadmeid, et neid paremini mõista. RPI materjaliteaduse ja tehnika osakonna dotsent Wei Bao ja tema meeskond on võtnud ette ainulaadse tee.
Mis on fotooniline topoloogiline isolaator?
PTI on materjal, mis suunab valguse footonid spetsiaalselt loodud liidestele materjali sees, vältides samal ajal valguse hajumist läbi selle. See omadus võimaldab materjalis mitmel footonil püsida koherentsena ja näidata ühe footoni käitumist.
Materjali seda omadust kasutades muutsid RPI teadlased isolaatori simuleeritud materjaliks, et luua miniatuurne laboratoorium footonite kvantomaduste uurimiseks.
Seadme valmistamise ajal kasutasid teadlased tehnikaid, mis on sarnased mikrokiipide valmistamisel kasutatavatele tehnikatele. Nad ladusid kihtide kaupa erinevaid materjale, kusjuures iga molekul oli hoolikalt paigutatud, et ehitada spetsiifiliste omadustega struktuure.
Esiteks kasutas meeskond tseesiumi, pliid ja kloori, et luua üliõhukesed kalkogeniidiplaadid. Järgmisena söövitasid nad konkreetsed mustrid polümeeriks. Seejärel asetati kristallplaat ja polümeer erinevate oksiidmaterjalide õhukeste lehtede vahele, mille tulemuseks oli väike seade, mis on umbes 2 mikronit paks, 100 mikronit pikk ja väiksem kui keskmise inimese juuksekarva läbimõõt.
Kuidas seade töötab?
Kui meeskond kasutas seadmel laserit, ilmus materjali liidesele hõõguvate kolmnurkade muster. See muster tuleneb laseri topoloogilistest omadustest ja selle määrab seadme disain.
Seadme oluliseks eeliseks on selle võime töötada toatemperatuuril. CsPbCl3 stabiilne eksitoni sidumisenergia on kuni ~ 64 meV, mis on tunduvalt kõrgem kui toatemperatuuril 25,8 meV soojuskõikumine.
Varem said teadlased ainet ülijahutada ainult vaakumis, mis nõuab mahukaid ja kalleid seadmeid," ütles meeskond avalduses. Paljud laborid ei ole aga selleks varustatud. Seetõttu võimaldab meie seade rohkematel teadlastel teha füüsikalisi alusuuringuid. laboris."
Lisaks aitab seade välja töötada lasereid, mille tööks kulub vähem energiat. Meie toatemperatuuriga tugevalt sidestatud topoloogiliselt polariseeritud laserite (15,2 μJ cm-2) lävi on palju madalam kui madala temperatuuriga III-V InGaAs nõrgalt seotud süsteemil (~106 μJ cm-2) , mis on umbes seitse korda madalam.