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近日據(jù)外媒報(bào)道，一支由物理學(xué)家組成的國(guó)際團(tuán)隊(duì)經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，僅由三個(gè)原子層組成的晶體能夠在室溫下發(fā)出類似激光的光，該材料未來將有可能用于微型電路以及量子應(yīng)用中的光源。該研究論文刊登在近期出刊的《自然通訊》上。

原子級(jí)的超薄過渡金屬二硫?qū)倩锞w因其高光物質(zhì)耦合強(qiáng)度，被認(rèn)為是對(duì)光電子和納米光子應(yīng)用極具價(jià)值，并且適合作為微激光器和納米激光器的增益材料。該論篇文也指出，強(qiáng)庫侖相互作用力是這些材料在室溫下進(jìn)行光學(xué)響應(yīng)的主導(dǎo)原因，這使得它們特別有希望用于多粒子和量子相關(guān)現(xiàn)象的基礎(chǔ)研究。

根據(jù)團(tuán)隊(duì)成員的說法，科學(xué)家們已經(jīng)能夠成功生成了與略高于絕對(duì)零度下實(shí)現(xiàn)的相同效果。德國(guó)奧爾登堡大學(xué)量子材料研究小組負(fù)責(zé)人Christian Schneider說：“從低溫到室溫的轉(zhuǎn)變，使這些二維材料的應(yīng)用變得更加有趣?！?/p>

■單層晶體放置在“鏡子”之間，在室溫下發(fā)射激光（來源：奧爾登堡大學(xué)）

同為奧爾登堡大學(xué)的科學(xué)家Carlos Anton-Solanas和Hangyon Shan是該研究團(tuán)隊(duì)的成員。2021年早些時(shí)候，團(tuán)隊(duì)發(fā)表報(bào)告稱半導(dǎo)體材料二硒化鉬中的一層在低溫狀態(tài)下產(chǎn)生了激光。目前，研究團(tuán)隊(duì)的工作是在室溫下產(chǎn)生相同的結(jié)果，如果成功將是一個(gè)里程碑。

該團(tuán)隊(duì)在最近的實(shí)驗(yàn)中使用了半導(dǎo)體二硒化鎢（WSe²）。該化合物屬于一類由過渡金屬和硫、硒或碲中的一種元素組成的半導(dǎo)體。這種類半導(dǎo)體的單層晶體與光的相互作用非常強(qiáng)烈。Anton-Solanas表示，它們被認(rèn)為是微型和納米激光器的潛在基礎(chǔ)材料。

該團(tuán)隊(duì)產(chǎn)生的激光發(fā)射來自激子極化子，一種物質(zhì)和光組成的混合粒子，由光粒子和激發(fā)電子之間的耦合產(chǎn)生。當(dāng)基態(tài)的電子被提升到更高的能量狀態(tài)時(shí)例如通過激光，就會(huì)形成激發(fā)的電子。幾分之一秒后，它們會(huì)發(fā)出一個(gè)光粒子。當(dāng)這個(gè)粒子被困在兩個(gè)鏡子之間時(shí)，它可以反過來激發(fā)另一個(gè)電子。這個(gè)循環(huán)一直持續(xù)到一個(gè)輕粒子逃離“陷阱”。

激子極化子耦合過程結(jié)合了光子和電子的不同特性。如果產(chǎn)生足夠的激子極化子，就會(huì)出現(xiàn)一種情況即它們不再像單個(gè)粒子一樣運(yùn)行而是并合成為宏觀量子形態(tài)。樣品的光發(fā)射突然增加表明了轉(zhuǎn)變已經(jīng)發(fā)生。就像激光發(fā)出的光一樣，在這種情況下產(chǎn)生的輻射是單色的，只有一種波長(zhǎng)。這種光束可以在特定方向上輻射，并顯示出干涉性。

為了證明二硒化鎢的這種效果，該團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)了1納米厚的半導(dǎo)體樣品。研究人員將它們放在鏡子之間，然后用激光刺激晶體并研究由此產(chǎn)生的發(fā)射。結(jié)果表明，有證據(jù)顯示輻射必須來自具有光和物質(zhì)特性的混合粒子。于是該團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論，激子極化子確實(shí)能在半導(dǎo)體中形成。

Schneider表示，這項(xiàng)研究成果增添了這種二維材料作為新型納米激光器的可能性，并且在室溫下就能生成激光。為了得到今天的結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為此連續(xù)工作了大約10年。同樣地，在今年早些時(shí)候另一組研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了室溫下單層晶體中激子極化子發(fā)射相干激光的證據(jù)。