Minyatür Cihaz Oda Sıcaklığında Güçlü Lazer Çıkışı Sağlıyor, Güç Tüketimini 7 Kat Azaltıyor

Son zamanlarda, ABD Rensselaer Politeknik Enstitüsü (Rensselaer Polytechnic Institute) araştırmacıları, bilim insanlarının ışık ve maddenin doğasını keşfetmesine ve kuantum alanının gizemlerini çözmesine yardımcı olabilecek, insan saçından daha ince bir mikro cihaz icat etti. Bu teknolojinin en önemli avantajı, oda sıcaklığında çalışabilmesi ve karmaşık bir altyapı gerektirmemesidir.
Araştırmacılar, "Malzeme seçimi çok önemli ve bu uygulama için eksitonik malzeme CsPbCl3'ü seçen ilk kişiler biziz." dediler. CsPbCl3, araştırmacıların fotonik topolojik yalıtkanlar (PTI'ler) oluşturmak için kullandıkları bir kalkogenür malzemedir.
Klasik fizik dünyayı anlamamıza yardımcı olurken, teknolojik ilerlemeler kuantum mekaniğine çok şey borçludur. Işık yayan diyotlardan (LED'ler) lazerlere, transistörlere ve hatta elektron mikroskoplarına kadar, kuantum mekaniğinin anlaşılması modern teknolojide sıçramalar ve sınırlar yaratmıştır.
Ancak kuantum aleminde keşfedilmeyi bekleyen birçok bilinmeyen hala var. Dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar, anlayışlarını daha da ileri götürmek için atomik parçacıkların davranışlarını incelemek için son teknoloji ekipman kullanıyorlar. RPI Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü'nde yardımcı doçent olan Wei Bao ve ekibi benzersiz bir yol izledi.
Fotonik topolojik yalıtkan nedir?
PTI, ışığın fotonlarını malzeme içindeki özel olarak tasarlanmış arayüzlere yönlendiren ve aynı zamanda ışığın içinden dağılmasını engelleyen bir malzemedir. Bu özellik, malzeme içindeki birden fazla fotonun tutarlı kalmasını ve tek bir fotonun davranışını sergilemesini sağlar.
Malzemenin bu özelliğini kullanan RPI araştırmacıları, yalıtkanı simüle edilmiş bir malzemeye dönüştürerek fotonların kuantum özelliklerini incelemek için minyatür bir laboratuvar oluşturdular.
Cihazın imalatı sırasında araştırmacılar mikroçip imalatında kullanılanlara benzer teknikler kullandılar. Farklı malzemeleri katman katman istiflediler ve her molekül belirli özelliklere sahip yapılar inşa etmek için dikkatlice düzenlendi.
İlk olarak, ekip sezyum, kurşun ve klor kullanarak kalkojenitin ultra ince plakalarını oluşturdu. Sonra, bir polimere belirli desenler kazıdılar. Kristal plaka ve polimer daha sonra farklı oksit malzemelerden oluşan ince tabakalar arasına sıkıştırıldı ve bunun sonucunda yaklaşık 2 mikron kalınlığında, 100 mikron uzunluğunda ve ortalama bir insan saçının çapından daha küçük olan minik bir cihaz ortaya çıktı.
Cihaz nasıl çalışır?
Ekip cihazda bir lazer kullandığında, malzeme arayüzünde parlayan üçgenlerden oluşan bir desen belirdi. Bu desen, lazerin topolojik özelliklerinden kaynaklanır ve cihazın tasarımı tarafından belirlenir.
Cihazın önemli bir avantajı oda sıcaklığında çalışabilme yeteneğidir. CsPbCl3, oda sıcaklığında 25,8 meV olan termal dalgalanmanın çok üzerinde, ~64 meV'a kadar kararlı bir eksiton bağlanma enerjisine sahiptir.
Geçmişte araştırmacılar maddeyi yalnızca vakumda aşırı soğutabiliyorlardı, bu da hantal ve pahalı ekipman gerektiriyordu," dedi ekip bir açıklamada. Ancak birçok laboratuvar bunun için donanımlı değil. Bu nedenle, cihazımız daha fazla araştırmacının laboratuvarda temel fizik araştırması yapmasına olanak tanıyacak."
Ek olarak, cihaz çalışması için daha az enerji gerektiren lazerlerin geliştirilmesine yardımcı olacaktır. Oda sıcaklığındaki güçlü bir şekilde birleştirilmiş topolojik olarak polarize lazerlerimizin eşiği (15,2 μJ cm-2), düşük sıcaklıktaki III-V InGaAs zayıf bir şekilde birleştirilmiş sistemin eşiğinden (~106 μJ cm-2) çok daha düşüktür ve bu da yaklaşık yedi kat daha düşüktür.