Miniaturgerät erzeugt bei Zimmertemperatur starke Laserstrahlung und reduziert den Stromverbrauch um das Siebenfache

Kürzlich haben Forscher des US-amerikanischen Rensselaer Polytechnic Institute (Rensselaer Polytechnic Institute) ein Mikrogerät erfunden, das dünner als ein menschliches Haar ist und Wissenschaftlern helfen kann, die Natur von Licht und Materie zu erforschen und die Geheimnisse des Quantenfelds zu entschlüsseln. Der wichtigste Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass sie bei Raumtemperatur funktioniert und keine komplexe Infrastruktur erfordert.
Die Forscher sagten: „Die Materialauswahl ist von größter Bedeutung, und wir sind die ersten, die das Exzitonenmaterial CsPbCl3 für diese Anwendung ausgewählt haben.“ CsPbCl3 ist ein Chalkogenidmaterial, das die Forscher zur Herstellung photonischer topologischer Isolatoren (PTIs) verwendeten.
Während die klassische Physik uns geholfen hat, die Welt zu verstehen, verdanken technologische Fortschritte viel der Quantenmechanik. Von Leuchtdioden (LEDs) über Laser und Transistoren bis hin zu Elektronenmikroskopen hat das Verständnis der Quantenmechanik zu großen Fortschritten in der modernen Technologie geführt.
Es gibt jedoch noch viele Unbekannte im Quantenbereich, die darauf warten, erforscht zu werden. Forscher auf der ganzen Welt verwenden modernste Geräte, um das Verhalten von Atompartikeln zu untersuchen und ihr Verständnis zu vertiefen. Wei Bao, Assistenzprofessor in der Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik des RPI, und sein Team haben einen einzigartigen Weg eingeschlagen.
Was ist ein photonischer topologischer Isolator?
Ein PTI ist ein Material, das Lichtphotonen an speziell entwickelte Schnittstellen im Material leitet und gleichzeitig verhindert, dass Licht durch das Material gestreut wird. Diese Eigenschaft ermöglicht es mehreren Photonen im Material, kohärent zu bleiben und das Verhalten eines einzelnen Photons zu zeigen.
Unter Ausnutzung dieser Eigenschaft des Materials verwandelten die RPI-Forscher den Isolator in ein simuliertes Material, um ein Miniaturlabor zur Untersuchung der Quanteneigenschaften von Photonen zu schaffen.
Bei der Herstellung des Geräts verwendeten die Forscher ähnliche Techniken wie bei der Herstellung von Mikrochips. Sie stapelten verschiedene Materialien Schicht für Schicht, wobei jedes Molekül sorgfältig angeordnet wurde, um Strukturen mit spezifischen Eigenschaften zu bilden.
Zunächst verwendete das Team Cäsium, Blei und Chlor, um ultradünne Chalkogenidplatten herzustellen. Anschließend ätzten sie spezielle Muster in ein Polymer. Die Kristallplatte und das Polymer wurden dann zwischen dünne Schichten verschiedener Oxidmaterialien gelegt, wodurch ein winziges Gerät entstand, das etwa 2 Mikrometer dick, 100 Mikrometer lang und kleiner als der Durchmesser eines durchschnittlichen menschlichen Haares ist.
Wie funktioniert das Gerät?
Als das Team das Gerät mit einem Laser bestrahlte, erschien auf der Materialoberfläche ein Muster aus leuchtenden Dreiecken. Dieses Muster ergibt sich aus den topologischen Eigenschaften des Lasers und wird durch das Design des Geräts vorgegeben.
Ein wesentlicher Vorteil des Geräts ist seine Fähigkeit, bei Raumtemperatur zu arbeiten. CsPbCl3 hat eine stabile Exzitonen-Bindungsenergie von bis zu ~64 meV, deutlich über der thermischen Fluktuation von 25,8 meV bei Raumtemperatur.
„In der Vergangenheit konnten Forscher Materie nur im Vakuum unterkühlen, was sperrige und teure Geräte erforderte“, erklärte das Team in einer Erklärung. „Viele Labore sind dafür jedoch nicht ausgerüstet. Daher wird unser Gerät es mehr Forschern ermöglichen, im Labor physikalische Grundlagenforschung zu betreiben.“
Darüber hinaus wird das Gerät dazu beitragen, Laser zu entwickeln, die weniger Energie zum Betrieb benötigen. Die Schwelle unserer stark gekoppelten topologisch polarisierten Laser bei Raumtemperatur (15,2 μJ cm-2) ist viel niedriger als die des schwach gekoppelten III-V InGaAs-Systems bei niedriger Temperatur (~106 μJ cm-2), das etwa um den Faktor sieben niedriger ist.