亚利桑那州立大学Ira A.Fulton工学院电气工程学教授宁存正（Nun-Zheng-Zing Ning）和来自中国清华大学的合作者发现了一种物理过程，该过程使得能够以2D半导体材料生产低功率纳米激光。了解纳米级激光背后的物理原理以及它们如何与半导体相互作用可能会对超级计算机和数据中心的高速通信通道产生重大影响。

图片由Rhonda Hitchcock-Mast / ASU提供

当某事可行时，通常是一件好事。但是对于科学家和工程师而言，当某些事情起作用并且他们不了解其背后的机制时，就会引发足够多的问题，使他们无法入夜。

亚利桑那州立大学Ira A. Fulton工学院的电气工程学教授宁存正（Nun-Zheng Ning）在过去的10年中一直在研究半导体纳米声学，即光和激光在半导体纳米级中的作用。

了解纳米级激光器背后的物理原理以及它们如何与半导体相互作用可能会对超级计算机和数据中心的高速通信通道产生重大影响，但前提是研究人员必须弄清楚它们如何以及为何能够工作以再现其结果。

在2015年至2017年之间，宁等人和他在中国清华大学的合作者等几所美国大学的研究人员产生的实验结果表明，激光可以在2D材料中产生，其厚度可薄至单分子层。此外，虽然其他研究人员已经在低温下开发了这些激光器，但Ning的团队还是首次在室温下生产了这些激光器。他们的研究结果于几年前发表在《自然纳米技术》杂志上。

尽管如此薄的材料可以支持激光操作，但它的显着之处在于，激光物理学的传统机理表明，不可能产生出如此低功率的激光被泵送到2D半导体中的激光器。但它在Ning小组的实验中起作用。

因此，尽管他对他的团队在研究中取得的进步感到兴奋，但Ning不能放弃这个问题，为什么它能够起作用？在过去的三年中，Ning和他的团队一直在努力寻找该问题的答案，他们对答案的搜索导致了一个新发现。

发现光增益的新机制

光学增益（一种材料放大光或光子的能力）是驱动所有激光器的基本概念。为了产生光增益，将电子注入到半导体材料中。

半导体将能量转换为电子产品的电源。向半导体材料（例如硅或氮化镓）中注入电流会产生带负电的电子和带正电的粒子（称为空穴）。在常规半导体中，当电子和空穴达到足够高的密度时，它们形成电子空穴气体，并且发生光学增益。

但是Ning和他的研究小组几年前研究的新型2D材料在达到所需的密度之前就已经实现了光学增益。

为了理解为什么会发生这种情况，Ning和来自ASU和清华大学的研究人员在一项新实验中发现了一种在2D半导体材料中产生光学增益的工艺。

二维材料的特性使电子和空穴形成紧密结合的对，称为激子，激子对可以与另一个电子或空穴结合，形成称为三子的单元。

宁和他的同僚在他的最新研究领域中探索了物理学的复杂平衡，该平衡决定了电子，空穴，激子和三子如何共存并相互转换以产生光增益。

宁说：“在研究三重子如何发出光子（光的粒子）或吸收光子的基本光学过程时，我们发现，当拥有足够的三重子时，光学增益就会存在。” “此外，存在这种光学增益的阈值可以任意小，仅受我们的测量系统限制。”

在Ning的实验中，该团队测得的光学增益密度为4至5个数量级，即10,000至100,000倍，比为光电设备供电的传统半导体（如条形码扫描仪和电信工具中使用的激光器）的光学增益小。

宁因对一种叫做Mott跃迁的现象的兴趣而被驱使做出这样的发现，Mott跃迁是物理学中一个尚未解决的谜，它涉及激子如何形成三重子并在半导体材料中导电，直至达到Mott密度（半导体从绝缘体变为导体，并首先发生光增益）。

但是，实现Mott跃迁和密度所需的电能远远超出了未来高效计算的需求。Ning表示，如果没有像他正在研究的那样的新的低功率纳米激光器功能，它将需要一个小型电站来运行一台超级计算机。

宁说：“如果能在低功率输入下用低于Mott跃迁的激子复合物实现光增益，那么未来的放大器和激光器就可以制成，它们需要少量的驱动功率。”

这种发展将改变节能光子学或基于光的器件的游戏规则，并为传统半导体提供替代方案，因为传统半导体的制造和维持足够的激子的能力受到限制。

正如Ning在先前使用2D材料进行的实验中观察到的那样，有可能比以前认为的更早获得光学增益。现在他们发现了一种可以使之起作用的机制。

宁说：“由于材料的厚度，电子和空穴相互吸引的强度是传统半导体的数百倍。” “这种强烈的电荷相互作用使激子和三重子即使在室温下也非常稳定。”

这意味着研究团队可以探索电子，空穴，激子和三重子的平衡，并控制它们的转换，以在非常低的密度下实现光学增益。

宁说：“当三元态的电子多于其原始电子态时，就会发生称为种群反转的情况。” “可以发射出比吸收更多的光子，这导致了被称为激发发射和光放大或增益的过程。”

这些结果由纸质高级作者和清华大学副教授郝浩领导，并发表在《自然》杂志《光：科学与应用》上。

图片来源：宁存正

在宁存正，他的美国亚利桑那州立大学和清华大学的合作者进行的研究中，将单层二维材料放置在精心设计的基板上，该基板以金作为背栅，以控制该材料中的电子数量。另一台激光泵浦2D材料以产生激子，其中一些激子与预先存在的电子形成三重子。监视反射光以发现放大的特征。

解决纳米激光的奥秘，一次完成基础科学的一步

这项新发现为莫特（Mott）过渡难题增添了一笔-它揭示了一种新的机制，研究人员可以利用该机制来创建低功率2D半导体纳米激光器；宁表示，他们尚不确定这是否与导致生产的机制相同。他们的2017年纳米激光

解决剩余的谜团的工作仍在进行中。这就是基础研究的作用；科学家旨在找到一件事，但他们的努力却找到了另一件事，这导致了新发现和知识的扩展。

宁说，在1990年代对常规半导体进行了类似的三极子实验，“但是激子和三极子非常不稳定，无论是实验观察，还是将这种光增益机制用于实际器件，都非常困难。”

“由于激子和三重子在2D材料中更加稳定，因此有新的机会根据这些观察结果制作出真实的设备。”

宁和他的研究团队所做的有趣的发展仅在基础科学层面上。但是，基础研究可能会带来令人兴奋的事情。

“基础科学是一项全球性的努力，如果可以吸引来自世界各地的最优秀人才，每个人都会从中受益。亚利桑那州立大学提供了一个开放和自由的环境，特别是与中国，德国，日本和全球范围内的顶级研究小组进行国际合作。”

为未来的超级计算机和数据中心奠定基础

他的团队还有很多工作要做，以研究这种新的光增益机制在不同温度下的工作原理，以及如何利用它来有目的地制造纳米激光。

宁说：“下一步是设计可以使用新的光学增益机制专门工作的激光器。”

在奠定了物理基础之后，它们最终可以用于创建新的纳米激光，从而可以改变超级计算和数据中心的未来。

宁说：“长期的梦想是将激光器和电子设备组合在一个集成平台中，以使超级计算机或数据中心位于芯片上。” “对于这样的未来应用，我们目前的半导体激光器仍然太大，无法与电子设备集成。”