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微型设备室温下输出强大激光,耗电量减少7倍

近日,美国伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)的研究人员发明了一种比人类头发还细的微型设备,可以帮助科学家探索光和物质的本质,解开量子领域的奥秘。这项技术最重要的优势在于,它可以在室温下工作,不需要复杂的基础设施。

研究人员表示:“材料的选择是最重要的,我们是第一个为这个应用选择激子材料CsPbCl3的。”CsPbCl3是一种钙钛矿材料,研究人员用它来制造光子拓扑绝缘体(PTI)。

虽然经典物理学帮助我们了解世界,但技术的进步要归功于量子力学。从发光二极管(LED)到激光、晶体管乃至电子显微镜,对量子力学的理解推动了现代科技的跨越式发展。

然而,量子领域仍有诸多未知等待探索。全球科研人员都在使用尖端设备研究原子粒子的行为,以进一步增进对其了解。而RPI材料科学与工程系助理教授Wei Bao及其团队则采取了独特的研究路径。

什么是光子拓扑绝缘体?

PTI是一种材料,它可以将光中的光子引导到材料内部专门设计的界面上,同时还可以防止光通过它散射。这一特性使得材料内的多个光子能够保持相干性,并呈现出单个光子的行为。

RPI的研究人员利用材料的这一特性,将绝缘体变成了一种模拟材料,打造出一个研究光子量子特性的微型实验室。

在设备制造过程中,研究人员采用了与微芯片制造类似的技术。他们逐层叠加不同的材料,每个分子都经过精心排列,以构建出具有特定性能的结构。

首先,研究团队利用铯、铅和氯制造出超薄的钙钛矿板。接着,他们在一种聚合物上蚀刻出特定图案。然后,将晶体板和聚合物夹在不同氧化物材料的薄片之间,最终得到一个厚度约为2微米、长度100微米、直径不及普通人类发丝粗细的微型设备。

这个设备是如何工作的?

当研究团队在设备上使用激光时,材料界面上出现了一个发光的三角形图案。这一模式源于激光的拓扑特性,由设备设计所决定。

该设备的显著优势在于其室温下的操作能力。CsPbCl3具有高达~64 meV的稳定激子束缚能,远超过室温下的热波动25.8 meV。

研究团队在声明中表示:“过去,研究人员只能在真空中对物质进行过冷处理,这需要庞大且昂贵的设备。但许多实验室并不具备这样的条件。因此,我们的设备将让更多研究人员在实验室里进行基础物理研究。”

此外,该设备还有助于开发出操作所需能量更低的激光器。我们室温下的强耦合拓扑极化激光器的阈值(15.2 μJ cm-2)远低于低温III-V InGaAs弱耦合系统的阈值(~106 μJ cm-2),大约低了7倍。

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