تمكنت جامعة بكين من ابتكار مصدر ليزر مستمر من البيروفسكايت أصغر من ميكرون مربع واحد

توصلت جامعة بكين إلى بيروفسكايت مستمرمصدر ليزرأصغر من ميكرون مربع واحد
من المهم تصميم مصدر ليزر مستمر بمساحة جهاز أقل من 1 ميكرومتر مربع لتلبية متطلبات استهلاك الطاقة المنخفض للوصلات البصرية على الرقاقة (أقل من 10 فمتو جول/بت). مع ذلك، ومع انخفاض حجم الجهاز، تزداد الخسائر البصرية والمادية بشكل ملحوظ، مما يجعل تحقيق حجم جهاز دون الميكرون وضخ ضوئي مستمر لمصادر الليزر تحديًا كبيرًا. في السنوات الأخيرة، حظيت مواد البيروفسكايت الهاليدية باهتمام واسع في مجال الليزر المضخ ضوئيًا بشكل مستمر نظرًا لكسبها البصري العالي وخصائصها الفريدة من نوعها في مجال الإكسيتون والبولاريتون. لا تزال مساحة جهاز مصادر ليزر البيروفسكايت المستمرة التي تم الإبلاغ عنها حتى الآن أكبر من 10 ميكرومتر مربع، وتتطلب جميع مصادر الليزر دون الميكرون ضوءًا نبضيًا بكثافة طاقة ضخ أعلى للتحفيز.

استجابةً لهذا التحدي، نجح فريق بحث تشانغ تشينغ من كلية علوم وهندسة المواد بجامعة بكين في تحضير مواد بلورية أحادية من البيروفسكايت عالية الجودة ذات أبعاد دون الميكرون، وذلك لتحقيق مصادر ليزر تعمل بالضخ الضوئي المستمر بمساحة جهاز لا تتجاوز 0.65 ميكرومتر مربع. وفي الوقت نفسه، تم الكشف عن آلية انبعاث الفوتون. وقد تم فهم آلية انبعاث الفوتون المستقطب في عملية الليزر ذات الضخ الضوئي المستمر دون الميكرون فهمًا عميقًا، مما يوفر فكرة جديدة لتطوير ليزرات أشباه الموصلات صغيرة الحجم ذات عتبة منخفضة. وقد نُشرت نتائج هذه الدراسة، بعنوان "ليزر البيروفسكايت ذو الضخ المستمر بمساحة جهاز أقل من 1 ميكرومتر مربع"، مؤخرًا في مجلة "المواد المتقدمة".

في هذا العمل، تم تحضير طبقة ميكرونية من بلورة أحادية من البيروفسكايت غير العضوي CsPbBr3 على ركيزة من الياقوت باستخدام الترسيب الكيميائي للبخار. لوحظ أن الاقتران القوي بين إكسيتونات البيروفسكايت وفوتونات التجويف الدقيق ذي الجدار الصوتي عند درجة حرارة الغرفة أدى إلى تكوين بولاريتون إكسيتوني. من خلال سلسلة من الأدلة، مثل تحول شدة الانبعاث من خطي إلى غير خطي، وعرض الخط الطيفي الضيق، وتحول استقطاب الانبعاث، وتحول التماسك المكاني عند العتبة، تم تأكيد انبعاث ليزر فلوري مستمر مضخّم ضوئيًا من بلورة CsPbBr3 أحادية الحجم دون الميكرون، حيث تبلغ مساحة الجهاز 0.65 ميكرومتر مربع فقط. في الوقت نفسه، وُجد أن عتبة مصدر الليزر دون الميكرون تُضاهي عتبة مصدر الليزر كبير الحجم، بل وقد تكون أقل (الشكل 1).

الشكل 1. بلورات CsPbBr3 دون الميكرون المضخّة ضوئيًا بشكل مستمرمصدر ضوء الليزر

علاوة على ذلك، يستكشف هذا العمل تجريبيًا ونظريًا آلية استقطاب الإكسيتونات في تحقيق مصادر ليزر مستمرة دون الميكرون. يؤدي تعزيز اقتران الفوتون بالإكسيتون في البيروفسكايت دون الميكرون إلى زيادة ملحوظة في معامل الانكسار الجماعي إلى حوالي 80، مما يزيد بشكل كبير من كسب النمط لتعويض فقدانه. ينتج عن ذلك أيضًا مصدر ليزر دون الميكرون من البيروفسكايت ذو عامل جودة فعال أعلى للتجويف الدقيق وعرض خط انبعاث أضيق (الشكل 2). كما توفر هذه الآلية رؤى جديدة لتطوير ليزرات صغيرة الحجم ومنخفضة العتبة تعتمد على مواد أشباه موصلات أخرى.

الشكل 2. آلية مصدر الليزر دون الميكرون باستخدام مستقطبات الإكسيتون

سونغ جيبينغ، طالب برنامج زيبو لعام 2020 من كلية علوم وهندسة المواد بجامعة بكين، هو المؤلف الأول لهذه الورقة البحثية، وجامعة بكين هي الجهة الأولى المشاركة فيها. أما تشانغ تشينغ وشيونغ تشيهوا، أستاذ الفيزياء بجامعة تسينغهوا، فهما المؤلفان المسؤولان عن المراسلات. وقد حظي هذا العمل بدعم من المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين ومؤسسة بكين للعلوم للشباب المتميز.