Thiết bị thu nhỏ tạo ra tia laser mạnh mẽ ở nhiệt độ phòng, giảm mức tiêu thụ điện năng xuống 7 lần

Gần đây, các nhà nghiên cứu của Viện Bách khoa Rensselaer Hoa Kỳ (Rensselaer Polytechnic Institute) đã phát minh ra một thiết bị siêu nhỏ mỏng hơn sợi tóc người, có thể giúp các nhà khoa học khám phá bản chất của ánh sáng và vật chất, đồng thời giải mã những bí ẩn của trường lượng tử. Ưu điểm quan trọng nhất của công nghệ này là có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng và không yêu cầu cơ sở hạ tầng phức tạp.
Các nhà nghiên cứu cho biết, "Việc lựa chọn vật liệu là tối quan trọng và chúng tôi là những người đầu tiên chọn vật liệu excitonic CsPbCl3 cho ứng dụng này". CsPbCl3 là vật liệu chalcogenide mà các nhà nghiên cứu đã sử dụng để tạo ra chất cách điện tôpô quang tử (PTI).
Trong khi vật lý cổ điển giúp chúng ta hiểu thế giới, những tiến bộ công nghệ phần lớn là nhờ cơ học lượng tử. Từ điốt phát quang (LED) đến laser, bóng bán dẫn và thậm chí cả kính hiển vi điện tử, sự hiểu biết về cơ học lượng tử đã thúc đẩy những bước tiến vượt bậc trong công nghệ hiện đại.
Tuy nhiên, vẫn còn nhiều điều chưa biết trong lĩnh vực lượng tử đang chờ được khám phá. Các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đang sử dụng thiết bị tiên tiến để nghiên cứu hành vi của các hạt nguyên tử nhằm nâng cao hiểu biết của họ. Wei Bao, trợ lý giáo sư tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu của RPI, cùng nhóm của ông đã đi theo một con đường độc đáo.
Chất cách điện tôpô quang tử là gì?
PTI là vật liệu hướng các photon ánh sáng đến các giao diện được thiết kế đặc biệt bên trong vật liệu đồng thời ngăn không cho ánh sáng bị tán xạ qua nó. Tính chất này cho phép nhiều photon bên trong vật liệu duy trì tính nhất quán và thể hiện hành vi của một photon đơn lẻ.
Sử dụng đặc tính này của vật liệu, các nhà nghiên cứu RPI đã biến chất cách điện thành vật liệu mô phỏng để tạo ra một phòng thí nghiệm thu nhỏ nhằm nghiên cứu các đặc tính lượng tử của photon.
Trong quá trình chế tạo thiết bị, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các kỹ thuật tương tự như kỹ thuật chế tạo vi mạch. Họ xếp chồng các vật liệu khác nhau từng lớp, với mỗi phân tử được sắp xếp cẩn thận để tạo ra các cấu trúc có đặc tính cụ thể.
Đầu tiên, nhóm nghiên cứu sử dụng xesi, chì và clo để tạo ra các tấm chalcogenide siêu mỏng. Tiếp theo, họ khắc các mẫu cụ thể vào một loại polyme. Sau đó, tấm tinh thể và polyme được kẹp giữa các tấm mỏng của các vật liệu oxit khác nhau, tạo ra một thiết bị nhỏ có độ dày khoảng 2 micron, dài 100 micron và nhỏ hơn đường kính của một sợi tóc người trung bình.
Thiết bị này hoạt động như thế nào?
Khi nhóm nghiên cứu sử dụng tia laser trên thiết bị, một mẫu hình tam giác phát sáng xuất hiện trên giao diện vật liệu. Mẫu hình này bắt nguồn từ các đặc tính tôpô của tia laser và được quyết định bởi thiết kế của thiết bị.
Một lợi thế đáng kể của thiết bị này là khả năng hoạt động ở nhiệt độ phòng. CsPbCl3 có năng lượng liên kết exciton ổn định lên tới ~64 meV, cao hơn nhiều so với dao động nhiệt 25,8 meV ở nhiệt độ phòng.
Trước đây, các nhà nghiên cứu chỉ có thể làm lạnh vật chất trong chân không, đòi hỏi thiết bị cồng kềnh và đắt tiền", nhóm nghiên cứu cho biết trong một tuyên bố. Nhưng nhiều phòng thí nghiệm không được trang bị cho việc này. Do đó, thiết bị của chúng tôi sẽ cho phép nhiều nhà nghiên cứu hơn tiến hành nghiên cứu vật lý cơ bản trong phòng thí nghiệm.
Ngoài ra, thiết bị sẽ giúp phát triển các loại laser cần ít năng lượng hơn để hoạt động. Ngưỡng của laser phân cực tôpô liên kết mạnh ở nhiệt độ phòng của chúng tôi (15,2 μJ cm-2) thấp hơn nhiều so với ngưỡng của hệ thống liên kết yếu InGaAs III-V nhiệt độ thấp (~106 μJ cm-2), thấp hơn khoảng bảy lần.