Miniatiūrinis prietaisas skleidžia galingą lazerį kambario temperatūroje, sumažina energijos suvartojimą 7 kartus

Neseniai JAV Rensselaer politechnikos instituto (Rensselaer Polytechnic Institute) mokslininkai išrado plonesnį už žmogaus plauką mikroįrenginį, kuris gali padėti mokslininkams ištirti šviesos ir materijos prigimtį bei atskleisti kvantinio lauko paslaptis. Svarbiausias šios technologijos privalumas yra tai, kad ji gali veikti kambario temperatūroje ir nereikalauja sudėtingos infrastruktūros.
Tyrėjai teigė: „Medžiagos pasirinkimas yra svarbiausias dalykas, todėl mes pirmieji šiai programai pasirenkame eksitoninę medžiagą CsPbCl3“. CsPbCl3 yra chalkogenido medžiaga, kurią tyrėjai panaudojo fotoniniams topologiniams izoliatoriams (PTI) kurti.
Nors klasikinė fizika padėjo mums suprasti pasaulį, technologijų pažanga daug priklauso nuo kvantinės mechanikos. Nuo šviesos diodų (LED) iki lazerių, tranzistorių ir net elektroninių mikroskopų – kvantinės mechanikos supratimas paskatino šiuolaikinių technologijų šuolius ir ribas.
Tačiau kvantinėje srityje vis dar yra daug nežinomųjų, kurie laukia, kol bus ištirti. Tyrėjai visame pasaulyje naudoja pažangiausią įrangą atominių dalelių elgsenai tirti, kad geriau suprastų. Wei Bao, RPI Medžiagų mokslo ir inžinerijos katedros docentas, ir jo komanda nuėjo unikaliu keliu.
Kas yra fotoninis topologinis izoliatorius?
PTI yra medžiaga, kuri nukreipia šviesos fotonus į specialiai sukurtas medžiagoje esančias sąsajas, taip pat neleidžia šviesai išsklaidyti per ją. Ši savybė leidžia keliems medžiagoje esantiems fotonams išlikti nuosekliems ir parodyti vieno fotono elgesį.
Naudodami šią medžiagos savybę, RPI mokslininkai izoliatorių pavertė imituota medžiaga, kad sukurtų miniatiūrinę laboratoriją, skirtą fotonų kvantinėms savybėms tirti.
Gamindami įrenginį, mokslininkai naudojo metodus, panašius į tuos, kurie naudojami mikroschemų gamyboje. Jie sukrovė skirtingas medžiagas sluoksnis po sluoksnio, kiekviena molekulė buvo kruopščiai išdėstyta taip, kad sukurtų specifines savybes turinčias struktūras.
Pirma, komanda naudojo cezį, šviną ir chlorą, kad sukurtų itin plonas chalkogenido plokšteles. Tada jie išgraviravo specifinius modelius į polimerą. Tada kristalinė plokštė ir polimeras buvo įterpti tarp plonų skirtingų oksidinių medžiagų lakštų, todėl gautas mažas prietaisas, kurio storis yra apie 2 mikronai, 100 mikronų ilgio ir mažesnis nei vidutinio žmogaus plauko skersmuo.
Kaip prietaisas veikia?
Kai komanda įrenginyje panaudojo lazerį, medžiagos sąsajoje atsirado švytinčių trikampių raštas. Šis modelis atsiranda dėl topologinių lazerio savybių ir yra padiktuotas įrenginio konstrukcijos.
Reikšmingas prietaiso pranašumas yra jo galimybė veikti kambario temperatūroje. CsPbCl3 stabili eksitono surišimo energija yra iki ~64 meV, gerokai viršijanti 25,8 meV šiluminį svyravimą kambario temperatūroje.
Anksčiau tyrėjai galėjo peršaldyti medžiagą tik vakuume, o tam reikia didelių gabaritų ir brangios įrangos", – sakoma komandos pranešime. Tačiau daugelis laboratorijų tam nėra pritaikytos. Todėl mūsų prietaisas leis daugiau mokslininkų atlikti pagrindinius fizikos tyrimus. laboratorijoje“.
Be to, prietaisas padės sukurti lazerius, kurių veikimui reikia mažiau energijos. Mūsų kambario temperatūros stipriai sujungtų topologiškai poliarizuotų lazerių (15,2 μJ cm-2) slenkstis yra daug mažesnis nei žemos temperatūros III-V InGaAs silpnai sujungtos sistemos (~106 μJ cm{7}}) , kuris yra maždaug septynis kartus mažesnis.