Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Pierwszy użyteczny laser z germanu

Recommended Posts

Naukowcy z MIT-u zaprezentowali pierwszy laser z germanu, który generuje fale światła o długości przydatnej w komunikacji. To jednocześnie pierwszy laser germanowy działający w temperaturze pokojowej.

German, w przeciwieństwie do wielu innych materiałów, może być łatwo wykorzystany we współczesnym przemyśle półprzewodnikowym. Ponadto, co niezwykle ważne, skonstruowanie wspomnianego lasera dowodzi, że, wbrew wcześniejszym przewidywaniom, półprzewodniki z pośrednim pasmem wzbronionym mogą posłużyć do produkcji laserów. To niezwykle ważny krok w kierunku budowy komputerów przesyłających dane, a niewykluczone że i dokonujących obliczeń, za pomocą światła w miejsce elektryczności.

Rosnąca wydajność obliczeniowa układów scalonych oznacza, że pomiędzy poszczególnymi komponentami komputera trzeba przesyłać coraz więcej danych. Wykorzystywanie do tego celu prądu elektrycznego ma tę wadę, że im szybciej chcemy przesłać informacje, tym więcej energii musimy zużyć. Znacznie bardziej wydajną metodą jest użycie światła, jednak tutaj pojawia się konieczność opracowania taniego sposobu integracji podzespołów optycznych i elektronicznych w jednym układzie scalonym. Wprowadzenie każdego nowego rodzaju podzespołów do układu scalonego to poważne wyzwanie. Trzeba bowiem znaleźć taki materiał, który pozwala na wyprodukowanie pożądanego podzespołu o potrzebnych właściwościach, a który jednocześnie dobrze wiąże się chemicznie z warstwami układu scalonego znajdującymi się pod nim i nad nim. Ponadto proces nakładania nowego podzespołu musi odbywać się w temperaturach i środowisku chemicznym odpowiednich dla innych materiałów tworzących układ scalony. Wiele takich materiałów źle "współpracuje" z krzemem, dlatego np. proces umieszczania w chipie laserów z arsenku galu jest bardzo skomplikowany i kosztowny. Tymczasem techniki pracy z germanem są dobrze poznane, znacznie prostsze i tańsze. German wykorzystywany jest od lat przez większość producentów półprzewodników. Służy on do produkcji rozciągniętego krzemu, w którym elektrony poruszają się szybciej, niż w zwykłym krzemie.

We współczesnej elektronice wykorzystywane są takie półprzewodniki jak krzem, german czy arsenek galu. Ten ostatni jest materiałem o bezpośrednim paśmie wzbronionym. W środowisku naukowym krążyła opinia, że materiały z pośrednim pasmem wzbronionym nigdy nie wygenerują światła laserowego - mówi Jurgen Michel z Electronic Materials Research Group, który brał udział w opracowaniu germanowego lasera. Tego uczą w szkole - wtóruje mu profesor Lionel Kimerling, szef grupy badawczej.

Dzieje się tak dlatego, gdyż w półprzewodniku elektron znajdujący się w paśmie przewodzenia może przyjąć jeden z dwóch stanów. W jednym z nich uwalnia energię w postaci fotonu, w drugim - w inny sposób, np. w postaci ciepła.

W materiałach o bezpośrednim paśmie wzbronionym stan, w którym emitowany jest foton, jest niższym stanem energetycznym. W półprzewodnikach o paśmie pośrednim, niższym stanem jest drugi z nich. Tak więc w sposób naturalny elektron emituje foton tylko w półprzewodnikach o paśmie bezpośrednim.

Naukowcom z MIT-u udało się jednak zmusić elektrony germanu do przejścia w wyższy, emitujący fotony, stan energetyczny.

Jedna z metod to wzbogacenie kryształu germanu o fosfor, który posiada pięć zewnętrznych elektronów, podczas gdy german ma ich cztery. Każdy atom fosforu daje zatem jeden dodatkowy elektron, który wypełnia niższy stan energetyczny powodując, że pobudzone elektrony germanu pozostają w stanie wyższym i emitują foton. Z wyliczeń uczonych wynika, że optymalny poziom domieszkowania germanu wynosi 1020 atomów fosforu na każdy centymetr sześcienny germanu. Obecnie udało im się opracować technologię, pozwalającą na domieszkowanie na poziomie 1019 i już zaobserwowano emisję światła laserowego.

Drugim sposobem na zmuszenie elektronów germanu do przyjęcia wyższego stanu energetycznego jest zmniejszenie różnicy pomiędzy stanem wyższym a niższym, co zwiększa prawdopodobieństwo, iż elektrony znajdą się w wyższym stanie. Aby tego dokonać, uczeni rozciągnęli german umieszczając go w podwyższonej temperaturze na krzemie. Po schłodzeniu krzem nie skurczył się, a stygnące atomy germanu, próbując dopasować się do atomów krzemu, nieco zwiększyły odległości pomiędzy sobą. Odpowiednio manipulując kątem i odległościami wiązań atomowych, uczeni byli w stanie zmienić wartości poziomów energetycznych. Przy okazji, jak pochwalił się Kimerling, jego zespół wynalazł technikę umieszczania germanu na krzemie i kontrolowania całego procesu.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Co za ironia, od lat używano germanu do rozciągania krzemu, teraz okazało się, że można stworzyć wydajniejszą technologię rozciągając german za pomocą krzemu :D

Share this post


Link to post
Share on other sites

drobna uwaga. zwyczajowo mowi sie o prostej i skosnej przerwie energetycznej, odpowiednio zamiast bezposredniej i posredniej. nie nalezy tlumaczyc tego doslownie.

 

druga rzecz, to 'strained' nie oznacza w tym przypadku rozciagniety tylko naprezony, a uczeni nie manipulowali katem i odleglosciami wiazan atomowych - to lekkie naduzycie :D zmiany te sa wynikiem naprezen, ktore mozna jedynie wytworzyc. dla zainteresowanych - naprezenia te beda oczywiscie zmienialy sie wraz z temperatura. mozna to dosc prosto policzyc uwzgledniajac rozszerzalnosc termiczna obu materialow. ponadto ciekawostka sam wzrost germanu na krzemie. jest takie pojecie 'grubosc krytyczna', przy ktorej material relaksuje, tj. energia zwiazana z naprezeniami jest uwalniana, generowane sa wtedy glownie defekty strukturalne. swoja droga, to jedna z metod wytwarzania kropek kwantowych.

 

informacyjnie: ten poziom domieszkowania rowny 10^(-20) cm^(-3), to ok. 2% fosforu.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Australijscy teoretycy kwantowi wykazali, że możliwe jest przełamanie obowiązującej od 60 lat bariery ograniczającej koherencję światła laserowego. Koherencja, czyli spójność wiązki światła, może być w przypadku laserów opisana jako liczba fotonów wyemitowanych jeden po drugim w tej samej fazie. To element decydujący o przydatności lasera do różnych zastosowań.
      Obowiązujące poglądy na temat spójności światła laserowego zostały nakreślone w roku 1958 przez amerykańskich fizyków, Arthura Schawlowa i Charlesa Townesa. Obaj otrzymali zresztą Nagrodę Nobla za swoje prace nad laserami. Teoretycznie wykazali, ze koherencja wiązki lasera nie może być większa niż kwadrat liczby fotonów obecnych w laserze, mówi profesor Howard Wiseman z Griffith University. Stał on na czele grupy naukowej złożonej z Griffith University i Macquarie University.
      Poczynili jednak pewne założenia odnośnie ilości energii dostarczanej do lasera oraz sposobu, w jaki jest ona uwalniana, by uformować wiązkę. Ich założenia miały wówczas sens i wciąż są prawdziwe w odniesieniu do większości laserów. Jednak mechanika kwantowa nie potrzebuje takich założeń, dodaje Wiseman.
      W naszym artykule wykazaliśmy, że prawdziwa granica koherencji, nakładana przez mechanikę kwantową, to czwarta potęga liczby fotonów przechowywanych w laserze, dodaje profesor Dominic Berry.
      Naukowcy zapewniają, że taką koherencję można osiągnąć w praktyce. Przeprowadzili bowiem symulację numeryczną i stworzyli oparty na mechanice kwantowej model lasera, który może osiągnąć ten nowy teoretyczny poziom spójności wiązki. Wiązka taka, poza spójnością, jest identyczna z wiązką konwencjonalnego lasera.
      Trzeba będzie poczekać na pojawienie się takich laserów. Udowodniliśmy jednak, że używając nadprzewodników można będzie zbudować taki laser, którego granice będą wyznaczane przez zasady mechaniki kwantowej. Obecnie ta sama technologia jest wykorzystywana do budowy komputerów kwantowych. Nasz laser może właśnie w nich znaleźć zastosowanie, mówi doktorant Travis Baker.
      Profesor Wiseman dodaje zaś, że prace jego zespołu każą postawić interesujące pytanie o możliwość skonstruowania bardziej energooszczędnych laserów. To przyniosłoby duże korzyści. Mam nadzieję, że w przyszłości będziemy mogli zbadać tę kwestię.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Fizycy z MIT opracowali kwantowy „ściskacz światła”, który redukuje szum kwantowy w laserach o 15%. To pierwszy taki system, który pracuje w temperaturze pokojowej. Dzięki temu możliwe będzie wyprodukowanie niewielkich przenośnych systemów, które będzie można dobudowywać do zestawów eksperymentalnych i przeprowadzać niezwykle precyzyjne pomiary laserowe tam, gdzie szum kwantowy jest obecnie poważnym ograniczeniem.
      Sercem nowego urządzenia jest niewielka wnęka optyczna znajdująca się w komorze próżniowej. We wnęce umieszczono dwa lustra, z których średnia jednego jest mniejsza niż średnica ludzkiego włosa. Większe lustro jest zamontowane na sztywno, mniejsze zaś znajduje się na ruchomym wsporniku przypominającym sprężynę. I to właśnie kształt i budowa tego drugiego, nanomechanicznego, lustra jest kluczem do pracy całości w temperaturze pokojowej. Wpadające do wnęki światło lasera odbija się pomiędzy lustrami. Powoduje ono, że mniejsze z luster, to na wsporniku zaczyna poruszać się w przód i w tył. Dzięki temu naukowcy mogą odpowiednio dobrać właściwości kwantowe promienia wychodzącego z wnęki.
      Światło lasera opuszczające wnękę zostaje ściśnięte, co pozwala na dokonywanie bardziej precyzyjnych pomiarów, które mogą przydać się w obliczeniach kwantowych, kryptologii czy przy wykrywaniu fal grawitacyjnych.
      Najważniejszą cechą tego systemu jest to, że działa on w temperaturze pokojowej, a mimo to wciąż pozwala na dobieranie parametrów z dziedziny mechaniki kwantowej. To całkowicie zmienia reguły gry, gdyż teraz będzie można wykorzystać taki system nie tylko w naszym laboratorium, które posiada wielkie systemy kriogeniczne, ale w laboratoriach na całym świecie, mówi profesor Nergis Mavalvala, dyrektor wydziału fizyki w MIT.
      Lasery emitują uporządkowany strumień fotonów. Jednak w tym uporządkowaniu fotony mają pewną swobodę. Przez to pojawiają się kwantowe fluktuacje, tworzące niepożądany szum. Na przykład liczba fotonów, które w danym momencie docierają do celu, nie jest stała, a zmienia się wokół pewnej średniej w sposób, który jest trudny do przewidzenia. Również czas dotarcia konkretnych fotonów do celu nie jest stały.
      Obie te wartości, liczba fotonów i czas ich dotarcia do celu, decydują o tym, na ile precyzyjne są pomiary dokonywane za pomocą lasera. A z zasady nieoznaczoności Heisenberga wynika, że nie jest możliwe jednoczesne zmierzenie pozycji (czasu) i pędu (liczby) fotonów.
      Naukowcy próbują radzić sobie z tym problemem poprzez tzw. kwantowe ściskanie. To teoretyczne założenie, że niepewność we właściwościach kwantowych lasera można przedstawić za pomocą teoretycznego okręgu. Idealny okrąg reprezentuje równą niepewność w stosunku do obu właściwości (czasu i liczby fotonów). Elipsa, czyli okrąg ściśnięty, oznacza, że dla jednej z właściwości niepewność jest mniejsza, dla drugiej większa.
      Jednym ze sposobów, w jaki naukowcy realizują kwantowe ściskanie są systemy optomechaniczne, które wykorzystują lustra poruszające się pod wpływem światła lasera. Odpowiednio dobierając właściwości takich systemów naukowcy są w stanie ustanowić korelację pomiędzy obiema właściwościami kwantowymi, a co za tym idzie, zmniejszyć niepewność pomiaru i zredukować szum kwantowy.
      Dotychczas optomechaniczne ściskanie wymagało wielkich instalacji i warunków kriogenicznych. Działo się tak, gdyż w temperaturze pokojowej energia termiczna otaczająca system mogła mieć wpływ na jego działanie i wprowadzała szum termiczny, który był silniejszy od szumu kwantowego, jaki próbowano redukować. Dlatego też takie systemy pracowały w temperaturze zaledwie 10 kelwinów (-263,15 stopni Celsjusza). Tam gdzie potrzebna jest kriogenika, nie ma mowy o niewielkim przenośnym systemie. Jeśli bowiem urządzenie może pracować tylko w wielkiej zamrażarce, to nie możesz go z niej wyjąć i uruchomić poza nią, wyjaśnia Mavalvala.
      Dlatego też zespół z MIT pracujący pod kierunkiem Nancy Aggarval, postanowił zbudować system optomechaczniczny z ruchomym lustrem wykonanym z materiałów, które absorbują minimalne ilości energii cieplnej po to, by nie trzeba było takiego systemu chłodzić. Uczeni stworzyli bardzo małe lustro o średnicy 70 mikrometrów. Zbudowano je z naprzemiennie ułożonych warstw arsenku galu i arsenku galowo-aluminowego. Oba te materiały mają wysoce uporządkowaną strukturę atomową, która zapobiega utratom ciepła. Materiały nieuporządkowane łatwo tracą energię, gdyż w ich strukturze znajduje się wiele miejsc, gdzie elektrony mogą się odbijać i zderzać. W bardziej uporządkowanych materiałach jest mniej takich miejsc, wyjaśnia Aggarwal.
      Wspomniane wielowarstwowe lustro zawieszono na wsporniku o długości 55 mikrometrów. Całości nadano taki kształt, by absorbowała jak najmniej energii termicznej. System przetestowano na Louisiana State University. Dzięki niemu naukowcy byli w stanie określić kwantowe fluktuacje liczby fotonów względem czasu ich przybycia do lustra. Pozwoliło im to na zredukowanie szumu o 15% i uzyskanie bardziej precyzyjnego „ściśniętego” promienia.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Przez 20 lat naukowcy badali, jak światło obraca się wokół osi podłużnej równoległej do kierunku jego ruchu. Powstaje jednak pytanie, czy może się ono poruszać w inny sposób. Teraz, dzięki urlopowi naukowemu dwóch akademików dowiedzieliśmy się, że światło może obracać się wzdłuż osi poprzecznej, prostopadłej do kierunku jego ruchu. Może więc przypominać przemieszczającą się trąbę powietrzną.
      Andy Chong i Qiwen Zhan z University of Dayton postanowili z czystej ciekawości zbadać kwestię ruchu światła. Wzięliśmy urlop naukowy, by w całości skupić się na tych badaniach. Dzięki temu dokonaliśmy naszego odkrycia, mówi Chong.
      Uczeni przyznają, że nie wiedzieli, czego szukają i co mogą znaleźć. To była czysta ciekawość. Czy możemy zrobić to, albo zmusić światło do zachowywania się tak, dodaje profesor Zhan, który specjalizuje się w elektrooptyce oraz fotonice i jest dyrektorem UD-Fraunhofer Joint Research Center.
      Gdy już stwierdziliśmy, że potrafimy to zrobić [wymusić obrót światła wzdłuż osi poprzecznej – red.], powstało pytanie co dalej, dodają uczeni.
      Na razie nikt nie wie co dalej, a odpowiedź na to pytanie z pewnością będzie przedmiotem dalszych badań zarówno uczonych z Dayton, jak i innych grup naukowych. Trudno w tej chwili stwierdzić, w jaki sposób można nowe zjawisko wykorzystać. Być może posłuży ono np. do opracowania technologii szybszego i bezpieczniejszego przesyłania danych. Obecnie tego nie wiemy. Ale jedynym ograniczeniem jest wyobraźnia badaczy, dodaje Zhan. Chong i Zhan już wiedzą, co będą badali w następnej kolejności. Najbardziej interesuje ich interakcja światła z różnymi materiałami. Chcemy lepiej zrozumieć, jak ten nowy stan światła w chodzi w interakcje z materiałami w czasie i przestrzeni, stwierdza Chong.
      Ze szczegółami odkrycia można zapoznać się na łamach Nature Photonics.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Wyobraźmy sobie całkowicie elastycznego robota, który nie zawiera żadnych obwodów i jest napędzany światłem słonecznym, mówi Amos Meeks z Uniwersytetu Harvarda (SEAS) i główny autor najnowszych badań. Badań, których autorzy opracowali nowatorską całkowicie optyczną platformę obliczeniową. Taką, w której do obliczeń wykorzystuje się tylko i wyłącznie światło.
      W większości współczesnych systemów obliczeniowych wykorzystuje się twarde materiały, takie jak metalowe kable, półprzewodniki i fotodiody łączące elektronikę i światło, stwierdza Meeks. U podstaw wyłącznie optycznej platformy obliczeniowej leży chęć pozbycia się tych elementów i kontrolowanie światła za pomocą światła, dodaje.
      Tego typu platformy wykorzystują materiały nieliniowe, które zmieniają indeks refrakcyjny w reakcji na intensywność światła. Gdy światło przechodzi przez taki materiał, zwiększa się jego indeks refrakcyjny i w materiale pojawia się, generowany światłem, światłowód. Problem jednak w tym, że obecnie większość materiałów nieliniowych wymaga albo użycia potężnych laserów, albo też w wyniku oddziaływania światła na stałe zmieniają się ich właściwości.
      Naukowcy z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) we współpracy z uczonymi z McMaster University oraz University of Pittsburgh opracowali nowatorski materiał, który w reakcji na światło lasera o niskiej mocy zmiania swój indeks refrakcyjny zmniejszając i zwiększając swoje rozmiary, a zmiany te są odwracalne.
      Nowy materiał to hydrożel zbudowany z sieci polimerowej nasączonej wodą oraz z niewielkiej liczby spiropyranów, molekuł reagujących na światło.
      Gdy hydrożel zostaje oświetlony, nieco się kurczy i zmienia się jego indeks refrakcyjny. Po wyłączeniu światła żel powraca do oryginalnego kształtu. Gdy zaś hydrożel zostanie oświetlony przez wiele źródeł światła, wchodzą one w interakcje i wpływają na siebie. Na przykład promień A może blokować promień B, promień B może blokować promień A, oba mogą blokować się nawzajem lub oba mogą przez siebie przechodzić. Powstaje w ten sposób bramka logiczna.
      Mimo, że to oddzielne promienie, mogą na siebie wpływać. Możemy wyobrazić sobie, że w przyszłości taki sposób reakcji na światło może zostać wykorzystany do wykonywania obliczeń, mówi Kalaichelvi Saravanamuttu z McMaster University.
      Nauki materiałowe się zmieniają. Samoregulujące, adaptacyjne materiały zdolne do optymalizowania swoich właściwości w reakcji na otoczenie zastępują statyczne, nieefektywne energetycznie i zewnętrznie regulowane materiały. Zaprezentowany przez nas materiał, który kontroluje światło o niezwykle niskiej intensywności to kolejny pokaz nadchodzącej rewolucji technologicznej, dodaje profesor Joanna Aizenberg z SEAS.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Na Tufts University stworzono magnetyczne kompozyty elastomerowe, które poruszają się w różny sposób w odpowiedzi na światło. Z takich materiałów można by produkować wiele różnych urządzeń, od prostych silników i zaworów po ogniwa fotowoltaiczne samodzielnie kierujące się w stronę światła słonecznego.
      Znamy wiele naturalnych przypadków reakcji na światło. Wystarczy przypomnieć sobie kwiaty czy liście zwracające się w stronę słońca. Materiały, które zostały wykorzystane przez naukowców z Tufts wykorzystują temperaturę Curie, czyli granicę temperatury, przy której ferromagnetyk zmienia swoje właściwości. Zmiana temperatury powoduje utratę i odzyskanie właściwości magnetycznych. Biopolimery i elastomery wzbogacone ferromagnetykiem CrO2 po wystawieniu ich na działanie promienia lasera czy promieni słonecznych ogrzewają się, tracą właściwości magnetyczne, a gdy się schłodzą, odzyskują te właściwości. Materiały takie w odpowiedzi na obecność pola magnetycznego w zależności od kształtu, mogą wykonywać proste ruchy, jak zginanie się, zwijanie czy zwiększanie swojej powierzchni. Możemy połączyć te proste ruchy w bardziej złożone, jak pełzanie, chodzenie czy pływanie. A wszystko można kontrolować bezprzewodowo, za pomocą światła, mówi profesor Fiorenzo Omenetto.
      Zespół Omenetto zaprezentował działanie wspomnianych materiałów tworząc elastyczne chwytaki, które w odpowiedzi na światło łapały i puszczały przedmioty. Jedną z zalet takich materiałów jest fakt, że możemy selektywnie aktywować fragment ich struktury poprzez skoncentrowanie na nich światła, mówi jedna z autorek badań, Meng Li. I w przeciwieństwie do innych materiałów pobudzanych światłem, które bazują na ciekłych kryształach, nasze materiały mogą poruszać się od lub do źródła światła. Wszystko to pozwala na budowę zarówno dużych, jak i małych obiektów wykonujących złożone, skoordynowane ruchy, dodaje uczona.
      Naukowcy stworzyli prosty mechanizm, który nazwali „silnikiem Curie”. Materiał w kształcie okręgu został zamocowany na osi i umieszczony w pobliżu stałego magnesu. gdy na fragment okręgu padło światło lasera, utracił on właściwości magnetyczne, doszło do zaburzenia równowagi sił i okrąg się obrócił. Wówczas oświetlony dotychczas fragment znalazł się w cieniu, odzyskał właściwości magnetyczne, a utracił je fragment obok, który znalazł się w promieniu lasera. W ten sposób prosty silnik ciągle się obracał.
      Dobierając odpowiednio kształt materiału, właściwości światła i pola magnetycznego, możemy teoretycznie uzyskać bardziej złożone i precyzyjne ruchu, jak zwijanie i rozwijanie, przełączanie zaworów w mikrokanalikach z płynami, możemy napędzać silniki w skali nano i wiele innych rzeczy, mówi Omenetto.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...