L'Università di Pechino ha realizzato un sistema continuo di perovskitesorgente laserpiù piccolo di 1 micron quadrato
È importante costruire una sorgente laser continua con un'area del dispositivo inferiore a 1 μm² per soddisfare il requisito di basso consumo energetico dell'interconnessione ottica on-chip (<10 fJ bit-1). Tuttavia, con la riduzione delle dimensioni del dispositivo, le perdite ottiche e di materiale aumentano significativamente, quindi ottenere dimensioni del dispositivo sub-micrometriche e un pompaggio ottico continuo delle sorgenti laser è estremamente impegnativo. Negli ultimi anni, i materiali alogenuri perovskiti hanno ricevuto grande attenzione nel campo dei laser a pompaggio ottico continuo grazie al loro elevato guadagno ottico e alle proprietà uniche dei polaritoni eccitonici. L'area del dispositivo delle sorgenti laser continue perovskite finora segnalate è ancora superiore a 10 μm² e tutte le sorgenti laser sub-micrometriche richiedono luce pulsata con una maggiore densità di energia di pompaggio per la stimolazione.
In risposta a questa sfida, il gruppo di ricerca di Zhang Qing della Facoltà di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'Università di Pechino ha preparato con successo materiali monocristallini submicronici di perovskite di alta qualità per realizzare sorgenti laser a pompaggio ottico continuo con un'area del dispositivo inferiore a 0,65 μm². Allo stesso tempo, è stato rivelato il fotone. Il meccanismo del polaritone dell'eccitone nel processo laser a pompaggio ottico continuo submicrometrico è stato ampiamente compreso, il che fornisce una nuova idea per lo sviluppo di laser a semiconduttore di piccole dimensioni 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, il foglio monocristallino di perovskite inorganica CsPbBr3 di dimensioni micrometriche è stato preparato su un substrato di zaffiro mediante deposizione chimica da vapore. È stato osservato che il forte accoppiamento degli eccitoni di perovskite con i fotoni della microcavità della parete sonora a temperatura ambiente ha portato alla formazione di polaritoni eccitonici. Attraverso una serie di evidenze, come l'intensità di emissione da lineare a non lineare, la larghezza di linea ridotta, la trasformazione della polarizzazione di emissione e la trasformazione della coerenza spaziale alla soglia, viene confermata la fluorescenza continua a pompaggio ottico del monocristallo di CsPbBr3 di dimensioni sub-micrometriche, e l'area del dispositivo è di soli 0,65 μm². Allo stesso tempo, si è scoperto che la soglia della sorgente laser sub-micrometrica è paragonabile a quella della sorgente laser di grandi dimensioni e può essere persino inferiore (Figura 1).
Figura 1. CsPbBr3 submicronico pompato otticamente continuosorgente di luce laser
Inoltre, questo lavoro esplora sia sperimentalmente che teoricamente, e rivela il meccanismo degli eccitoni polarizzati nella realizzazione di sorgenti laser continue submicrometriche. Il migliorato accoppiamento fotone-eccitone nelle perovskiti submicrometriche determina un aumento significativo dell'indice di rifrazione di gruppo a circa 80, che aumenta sostanzialmente il guadagno modale per compensare la perdita di modo. Ciò si traduce anche in una sorgente laser submicrometrica a perovskite con un fattore di qualità della microcavità efficace più elevato e una larghezza di riga di emissione più stretta (Figura 2). Il meccanismo fornisce anche nuove informazioni sullo 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 polarizon eccitonici
Song Jiepeng, studente Zhibo del 2020 presso la Facoltà di Scienza dei Materiali e Ingegneria dell'Università di Pechino, è il primo autore dell'articolo, mentre l'Università di Pechino è la prima unità dell'articolo. Zhang Qing e Xiong Qihua, professore di Fisica presso l'Università di Tsinghua, sono gli autori corrispondenti. Il lavoro è stato finanziato dalla National Natural Science Foundation of China e dalla Beijing Science Foundation for Outstanding Young People.
Data di pubblicazione: 12 settembre 2023