L'Università di Pechino ha realizzato una perovskite continuasorgente laserpiù piccolo di 1 micron quadrato
È importante realizzare una sorgente laser continua con un'area del dispositivo inferiore a 1 μm² per soddisfare il requisito di basso consumo energetico dell'interconnessione ottica su chip (<10 fJ bit⁻¹). Tuttavia, con la riduzione delle dimensioni del dispositivo, le perdite ottiche e dei materiali aumentano significativamente, pertanto raggiungere dimensioni del dispositivo sub-micrometriche e un pompaggio ottico continuo delle sorgenti laser è estremamente difficile. Negli ultimi anni, i materiali a base di perovskite alogenata hanno ricevuto ampia attenzione nel campo dei laser a pompaggio ottico continuo grazie al loro elevato guadagno ottico e alle proprietà uniche di polaritone eccitonico. L'area del dispositivo delle sorgenti laser continue a base di perovskite finora riportate è ancora superiore a 10 μm², e tutte le sorgenti laser sub-micrometriche richiedono luce pulsata con una densità di energia di pompaggio più elevata per la stimolazione.
In risposta a questa sfida, il gruppo di ricerca di Zhang Qing della Scuola di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'Università di Pechino è riuscito a preparare materiali monocristallini submicronici di perovskite di alta qualità per realizzare sorgenti laser a pompaggio ottico continuo con un'area del dispositivo di soli 0,65 μm². Allo stesso tempo, è stato svelato il meccanismo del fotone. Il meccanismo dell'eccitone polaritone nel processo laser a pompaggio ottico continuo submicronico è stato profondamente compreso, fornendo una nuova idea per lo sviluppo di laser a semiconduttore di piccole dimensioni e a bassa soglia. I risultati dello studio, intitolato "Laser a perovskite a pompaggio a onda continua con area del dispositivo inferiore a 1 μm²", sono stati recentemente pubblicati su Advanced Materials.
In questo lavoro, è stato preparato un foglio di microcristalli di perovskite inorganica CsPbBr3 su un substrato di zaffiro mediante deposizione chimica da fase vapore. È stato osservato che il forte accoppiamento degli eccitoni della perovskite con i fotoni della microcavità a parete solida a temperatura ambiente ha portato alla formazione di polaritoni eccitonici. Attraverso una serie di prove, come l'intensità di emissione da lineare a non lineare, la larghezza di riga stretta, la trasformazione della polarizzazione di emissione e la trasformazione della coerenza spaziale alla soglia, è stato confermato il laser a fluorescenza pompato otticamente continuo del monocristallo di CsPbBr3 di dimensioni sub-micrometriche, e l'area del dispositivo è di soli 0,65 μm2. Allo stesso tempo, è stato scoperto che la soglia della sorgente laser sub-micrometrica è paragonabile a quella della sorgente laser di grandi dimensioni e può anche essere inferiore (Figura 1).
Figura 1. CsPbBr3 submicronico a pompaggio ottico continuosorgente luminosa laser
Inoltre, questo lavoro esplora, sia sperimentalmente che teoricamente, e rivela il meccanismo degli eccitoni polarizzati in eccitoni nella realizzazione di sorgenti laser continue submicroniche. L'accoppiamento fotone-eccitone potenziato nelle perovskiti submicroniche si traduce in un aumento significativo dell'indice di rifrazione di gruppo fino a circa 80, il che incrementa sostanzialmente il guadagno del modo per compensare la perdita del modo. Ciò si traduce anche in una sorgente laser submicronica a perovskite con un fattore di qualità della microcavità effettivo più elevato e una larghezza di riga di emissione più stretta (Figura 2). Il meccanismo fornisce inoltre nuove informazioni per lo sviluppo di laser di piccole dimensioni e a bassa soglia basati su altri materiali semiconduttori.
Figura 2. Meccanismo della sorgente laser sub-micronica che utilizza polarizoni eccitonici
Song Jiepeng, studente Zhibo 2020 della Facoltà di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'Università di Pechino, è il primo autore dell'articolo, e l'Università di Pechino è la prima unità di riferimento. Zhang Qing e Xiong Qihua, professore di Fisica presso l'Università di Tsinghua, sono gli autori corrispondenti. Il lavoro è stato finanziato dalla Fondazione Nazionale Cinese per le Scienze Naturali e dalla Fondazione di Pechino per i Giovani Ricercatori di Eccellenza.
Data di pubblicazione: 12 settembre 2023