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

أدركت جامعة بكين أن البيروفسكايت مستمرمصدر الليزرأصغر من 1 ميكرون مربع
من المهم بناء مصدر ليزر مستمر بمساحة جهاز أقل من 1 ميكرومتر مربع لتلبية متطلبات استهلاك الطاقة المنخفض للتوصيل البصري على الشريحة (<10 fJ bit-1). ومع ذلك، مع تناقص حجم الجهاز، تزداد الخسائر البصرية والمادية بشكل ملحوظ، مما يجعل تحقيق حجم جهاز دون الميكرون والضخ البصري المستمر لمصادر الليزر أمرًا بالغ الصعوبة. في السنوات الأخيرة، حظيت مواد هاليد البيروفسكايت باهتمام واسع في مجال الليزرات المضخوخة بصريًا باستمرار نظرًا لكسبها البصري العالي وخصائصها الفريدة في بولاريتون الإكسيتون. لا تزال مساحة جهاز مصادر ليزر البيروفسكايت المستمرة المذكورة 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 تشانغ تشينغ البحثي من كلية علوم وهندسة المواد بجامعة بكين في تحضير مواد بيروفسكايت أحادية البلورات عالية الجودة، بمساحة دون الميكرون، لتحقيق مصادر ليزر ضخ بصري مستمر بمساحة جهاز منخفضة تصل إلى 0.65 ميكرومتر مربع. وفي الوقت نفسه، تم الكشف عن الفوتون. وقد تم فهم آلية بولاريتون الإكسيتون في عملية الليزر المضخ بصريًا المستمر بمساحة دون الميكرون، مما يوفر فكرة جديدة لتطوير ليزرات أشباه الموصلات صغيرة الحجم ومنخفضة العتبة. نُشرت نتائج الدراسة، المعنونة "ليزرات بيروفسكايت المضخوخة بموجة مستمرة بمساحة جهاز أقل من 1 ميكرومتر مربع"، مؤخرًا في مجلة Advanced Materials.

في هذا العمل، حُضِّرت رقاقة ميكرونية أحادية البلورة من البيروفسكايت غير العضوي CsPbBr3 على ركيزة من الياقوت الأزرق بواسطة الترسيب الكيميائي للبخار. لوحظ أن الاقتران القوي لإكسيتونات البيروفسكايت مع فوتونات تجويف جدار الصوت الدقيق عند درجة حرارة الغرفة أدى إلى تكوين بولاريتون إكسيتوني. ومن خلال سلسلة من الأدلة، مثل شدة الانبعاث الخطية إلى غير الخطية، وضيق عرض الخط، وتحويل استقطاب الانبعاث، وتحويل التماسك المكاني عند العتبة، تم تأكيد ليزر الفلوريسنت المضخوخ بصريًا المستمر لبلورة أحادية CsPbBr3 بحجم دون الميكرون، وأن مساحة الجهاز منخفضة تصل إلى 0.65 ميكرومتر مربع. وفي الوقت نفسه، وُجد أن عتبة مصدر الليزر دون الميكرون تُضاهي عتبة مصدر الليزر كبير الحجم، بل ويمكن أن تكون أقل (الشكل 1).

الشكل 1. CsPbBr3 دون الميكرون المضخوخ بصريًا بشكل مستمرمصدر ضوء الليزر

علاوة على ذلك، يستكشف هذا العمل تجريبيًا ونظريًا، ويكشف عن آلية عمل الإكسيتونات المستقطبة بالإكسيتون في إنتاج مصادر ليزر مستمرة دون الميكرون. يؤدي تعزيز اقتران الفوتون بالإكسيتون في البيروفسكايتات دون الميكرون إلى زيادة ملحوظة في معامل انكسار المجموعة إلى حوالي 80، مما يزيد بشكل كبير من كسب النمط لتعويض فقدان النمط. وينتج عن ذلك أيضًا مصدر ليزر دون الميكرون من البيروفسكايت يتميز بمعامل جودة تجويف دقيق فعال أعلى وعرض خط انبعاث أضيق (الشكل 2). كما توفر هذه الآلية رؤى جديدة في تطوير ليزرات صغيرة الحجم ومنخفضة العتبة تعتمد على مواد أشباه موصلات أخرى.

الشكل 2. آلية مصدر الليزر دون الميكرون باستخدام الاستقطابات الإكسيتونية

سونغ جيبينغ، طالب دفعة ٢٠٢٠ من كلية علوم وهندسة المواد بجامعة بكين، هو المؤلف الرئيسي للورقة البحثية، وجامعة بكين هي الوحدة البحثية الأولى. تشانغ تشينغ وشيونغ تشي هوا، أستاذ الفيزياء بجامعة تسينغهوا، هما المؤلفان المراسلان. حظي هذا العمل بدعم من المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين ومؤسسة بكين للعلوم للشباب المتميز.