Μινιατούρα συσκευής βγάζει ισχυρό λέιζερ σε θερμοκρασία δωματίου, μειώνει την κατανάλωση ενέργειας κατά 7 φορές

Πρόσφατα, οι ερευνητές του Πολυτεχνικού Ινστιτούτου Rensselaer των ΗΠΑ (Rensselaer Polytechnic Institute) ανακάλυψαν μια μικροσυσκευή πιο λεπτή από ανθρώπινη τρίχα, η οποία μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να εξερευνήσουν τη φύση του φωτός και της ύλης και να ξεδιαλύνουν τα μυστήρια του κβαντικού πεδίου. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι ότι μπορεί να λειτουργήσει σε θερμοκρασία δωματίου και δεν απαιτεί περίπλοκη υποδομή.
Οι ερευνητές είπαν, «Η επιλογή του υλικού είναι υψίστης σημασίας και είμαστε οι πρώτοι που επιλέξαμε το διεγερτικό υλικό CsPbCl3 για αυτήν την εφαρμογή». Το CsPbCl3 είναι ένα υλικό χαλκογονιδίου που οι ερευνητές χρησιμοποίησαν για να δημιουργήσουν φωτονικούς τοπολογικούς μονωτές (PTIs).
Ενώ η κλασική φυσική μας έχει βοηθήσει να κατανοήσουμε τον κόσμο, οι τεχνολογικές εξελίξεις οφείλουν πολλά στην κβαντική μηχανική. Από τις διόδους εκπομπής φωτός (LED) έως τα λέιζερ, τα τρανζίστορ, ακόμη και τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια, η κατανόηση της κβαντικής μηχανικής έχει οδηγήσει σε άλματα στη σύγχρονη τεχνολογία.
Ωστόσο, υπάρχουν ακόμα πολλά άγνωστα στο κβαντικό βασίλειο που περιμένουν να εξερευνηθούν. Ερευνητές σε όλο τον κόσμο χρησιμοποιούν εξοπλισμό αιχμής για να μελετήσουν τη συμπεριφορά των ατομικών σωματιδίων για να βελτιώσουν την κατανόησή τους. Ο Wei Bao, επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών του RPI, και η ομάδα του έχουν ακολουθήσει έναν μοναδικό δρόμο.
Τι είναι ένας φωτονικός τοπολογικός μονωτήρας;
Το PTI είναι ένα υλικό που κατευθύνει φωτόνια φωτός σε ειδικά σχεδιασμένες διεπαφές μέσα στο υλικό, ενώ επίσης εμποδίζει τη διασπορά του φωτός μέσα από αυτό. Αυτή η ιδιότητα επιτρέπει σε πολλά φωτόνια μέσα στο υλικό να παραμένουν συνεκτικά και να παρουσιάζουν τη συμπεριφορά ενός μόνο φωτονίου.
Χρησιμοποιώντας αυτή την ιδιότητα του υλικού, οι ερευνητές του RPI μετέτρεψαν τον μονωτή σε προσομοιωμένο υλικό για να δημιουργήσουν ένα μικροσκοπικό εργαστήριο για τη μελέτη των κβαντικών ιδιοτήτων των φωτονίων.
Κατά την κατασκευή της συσκευής, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τεχνικές παρόμοιες με αυτές που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή μικροτσίπ. Στοίβαξαν διαφορετικά υλικά στρώμα προς στρώμα, με κάθε μόριο προσεκτικά διατεταγμένο για να χτίσει δομές με συγκεκριμένες ιδιότητες.
Πρώτον, η ομάδα χρησιμοποίησε καίσιο, μόλυβδο και χλώριο για να δημιουργήσει εξαιρετικά λεπτές πλάκες χαλκογονιδίου. Στη συνέχεια, χάραξαν συγκεκριμένα σχέδια σε ένα πολυμερές. Η κρυσταλλική πλάκα και το πολυμερές στη συνέχεια τοποθετήθηκαν ανάμεσα σε λεπτά φύλλα διαφορετικών υλικών οξειδίου, με αποτέλεσμα μια μικροσκοπική συσκευή που έχει πάχος περίπου 2 μικρά, μήκος 100 μικρά και μικρότερη από τη διάμετρο μιας μέσης ανθρώπινης τρίχας.
Πώς λειτουργεί η συσκευή;
Όταν η ομάδα χρησιμοποίησε ένα λέιζερ στη συσκευή, ένα μοτίβο από λαμπερά τρίγωνα εμφανίστηκε στη διεπαφή υλικού. Αυτό το μοτίβο προέρχεται από τις τοπολογικές ιδιότητες του λέιζερ και υπαγορεύεται από τον σχεδιασμό της συσκευής.
Ένα σημαντικό πλεονέκτημα της συσκευής είναι η ικανότητά της να λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου. Το CsPbCl3 έχει σταθερή ενέργεια δέσμευσης εξιτονίων έως και ~64 meV, πολύ πάνω από τη θερμική διακύμανση των 25,8 meV σε θερμοκρασία δωματίου.
Στο παρελθόν, οι ερευνητές μπορούσαν να υπερψύξουν την ύλη μόνο στο κενό, το οποίο απαιτεί ογκώδη και ακριβό εξοπλισμό", ανέφερε η ομάδα σε μια δήλωση. Αλλά πολλά εργαστήρια δεν είναι εξοπλισμένα για αυτό. Επομένως, η συσκευή μας θα επιτρέψει σε περισσότερους ερευνητές να διεξάγουν βασική έρευνα στη φυσική στο εργαστήριο».
Επιπλέον, η συσκευή θα βοηθήσει στην ανάπτυξη λέιζερ που απαιτούν λιγότερη ενέργεια για να λειτουργήσουν. Το κατώφλι των ισχυρά συζευγμένων τοπολογικά πολωμένων λέιζερ μας σε θερμοκρασία δωματίου (15,2 μJ cm-2) είναι πολύ χαμηλότερο από αυτό του ασθενώς συζευγμένου συστήματος χαμηλής θερμοκρασίας III-V InGaAs (~106 μJ cm-2) , που είναι περίπου κατά επτά μικρότερο.