מכשיר מיניאטורי מוציא לייזר חזק בטמפרטורת החדר, מפחית את צריכת החשמל פי 7

לאחרונה, חוקרי המכון הפוליטכני של רנסלר (Rensselaer Polytechnic Institute) המציאו מכשיר מיקרו דק יותר משערת אדם, שיכול לעזור למדענים לחקור את טבע האור והחומר, ולפענח את מסתורי השדה הקוונטי. היתרון החשוב ביותר של טכנולוגיה זו הוא שהיא יכולה לעבוד בטמפרטורת החדר ואינה דורשת תשתית מורכבת.
החוקרים אמרו, "בחירת החומר היא בעלת חשיבות עליונה, ואנחנו הראשונים לבחור את החומר האקסיטוני CsPbCl3 עבור יישום זה." CsPbCl3 הוא חומר כלקוגניד שהחוקרים השתמשו בו כדי ליצור מבודדים טופולוגיים פוטוניים (PTIs).
בעוד שהפיסיקה הקלאסית עזרה לנו להבין את העולם, ההתקדמות הטכנולוגית חייבת הרבה למכניקת הקוונטים. מדיודות פולטות אור (LED) ועד לייזרים, טרנזיסטורים ואפילו מיקרוסקופים אלקטרונים, ההבנה של מכניקת הקוונטים הקפיצה קפיצות בטכנולוגיה המודרנית.
עם זאת, יש עדיין הרבה אלמונים בתחום הקוונטי שמחכים לחקור. חוקרים ברחבי העולם משתמשים בציוד חדשני כדי לחקור את התנהגותם של חלקיקים אטומיים כדי לקדם את הבנתם. Wei Bao, עוזר פרופסור במחלקה למדע והנדסת חומרים של RPI, והצוות שלו עשו דרך ייחודית.
מהו מבודד טופולוגי פוטוני?
PTI הוא חומר המכוון פוטונים של אור לממשקים שתוכננו במיוחד בתוך החומר תוך מניעת פיזור אור דרכו. תכונה זו מאפשרת לפוטונים מרובים בתוך החומר להישאר קוהרנטיים ולהפגין התנהגות של פוטון בודד.
באמצעות תכונה זו של החומר, חוקרי RPI הפכו את המבודד לחומר מדומה כדי ליצור מעבדה מיניאטורית לחקר התכונות הקוונטיות של פוטונים.
במהלך ייצור המכשיר, החוקרים השתמשו בטכניקות דומות לאלו המשמשות בייצור מיקרו-שבבים. הם ערמו חומרים שונים שכבה אחר שכבה, כאשר כל מולקולה מסודרת בקפידה כדי לבנות מבנים בעלי תכונות ספציפיות.
ראשית, הצוות השתמש בצסיום, עופרת וכלור כדי ליצור לוחות דקים במיוחד של כלקוגניד. לאחר מכן, הם חרטו דפוסים ספציפיים לפולימר. לוחית הקריסטל והפולימר הוכנסו לאחר מכן בין יריעות דקות של חומרי תחמוצת שונים, וכתוצאה מכך נוצר מכשיר זעיר שעוביו כ-2 מיקרון, אורכו 100 מיקרון וקטן מקוטר של שערה אנושית ממוצעת.
איך המכשיר עובד?
כאשר הצוות השתמש בלייזר על המכשיר, הופיעה תבנית של משולשים זוהרים על ממשק החומר. דפוס זה נובע מהתכונות הטופולוגיות של הלייזר ומוכתב על ידי עיצוב המכשיר.
יתרון משמעותי של המכשיר הוא יכולתו לפעול בטמפרטורת החדר. ל-CsPbCl3 אנרגיית קשירה יציבה של אקציטון של עד ~64 meV, הרבה מעל לתנודה התרמית של 25.8 meV בטמפרטורת החדר.
בעבר, חוקרים יכלו לקרר חומר רק בוואקום, מה שדורש ציוד מגושם ויקר", אמר הצוות בהצהרה. אך מעבדות רבות אינן מצוידות לכך. לכן, המכשיר שלנו יאפשר ליותר חוקרים לבצע מחקר פיזיקה בסיסי במעבדה."
בנוסף, המכשיר יסייע בפיתוח לייזרים הדורשים פחות אנרגיה לפעולה. הסף של הלייזרים המקוטבים בצורה טופולוגית חזקות שלנו בטמפרטורת החדר (15.2 μJ ס"מ-2) נמוך בהרבה מזה של מערכת ה-III-V InGaAs בטמפרטורה נמוכה (~106 μJ ס"מ-2) , שהוא בערך פקטור שבעה נמוך יותר.