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[초록빛논문] 극도로 낮은 문턱값을 갖는 한켜 반도체 공진기 나노레이저 본문

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[초록빛논문] 극도로 낮은 문턱값을 갖는 한켜 반도체 공진기 나노레이저

(gguro) 2015. 3. 18. 12:38


1. 논문 정보

제목: 극도로 낮은 문턱값을 갖는 한켜 반도체 공진기 나노레이저

학술지: 자연

발행년월: 2015년 3월

글쓴이: 산펑 우, 소냐 버클리, 존 R. 샤이블리, 리에펑 펑, 지아치앙 옌, 데이빗 G. 만드러스, 파리바 하타미, 왕 야오, 옐레나 뷰코비치, 아르카 마윰다르, 시아오동 쉬

이어가기: http://dx.doi.org/10.1038/nature14290

인용정보: Wu, S., Buckley, S., Schaibley, J. R., Feng, L., Yan, J., Mandrus, D. G., … Xu, X. (2015). Monolayer semiconductor nanocavity lasers with ultralow thresholds. Nature, advance online publication. http://doi.org/10.1038/nature14290


2. 초록

[번역문]

광자적 공진기를 사용해 나노미터 크기의 빛 방출기의 전자기적 환경을 공학적으로 제어하면 해당 방출기의 자발방출률을 현저히 증진시킬 수 있는데, 이는 퍼셀 영역에서 일어나는 공진기 양자 전자기학 효과에 의한 것이다. 이 효과는 해당 방출기의 레이저 발진의 문턱값을 크게 낮출 수 있는데, 크기가 작고, 전력소모가 적으며, 극도로 빠르게 변조할 수 있는, 낮은 문턱값을 갖는 레이저 체계를 만들 수 있게 해준다. 극도로 낮은 문턱값을 갖는 나노 크기 레이저는, 양자점을 (광공기) 광자결정 공진기에 삽입함으로써 성공적으로 시연된 바 있다. 그러나 실용적 적용에 있어 몇 가지 문제점이 남아있었는데, 이는 양자점들이 무작위로 분포하며 합성적으로 요동치고, 전류를 흘려주기가 극도로 힘들뿐 아니라, 전자회로와 조합하기가 어렵다는 점 등이 그 이유이다. 본 연구단은 새로운 레이저 발진전략을 보고한다. 단원자 수준의 얇은 결정 반도체인 이셀렌화텅스텐 한켜를 기제작된 광공기에 비파괴적이고 결정론적으로 이득물질로 도입하는 방법이다. 이로써 가시광 영역에서, 절대온도 130도에서 27 나노와트의 매우 낮은 광펌핑의 문턱값을 갖는 연속파 나노레이저의 구동을 성공시켰는데, 이는 양자점 광공기 레이저의 값과 비슷하다. 레이저 작동의 열쇠는 이득매질의 한켜성질인데, 이는 그 성질에 의해 직접틈 들뜸알이 광공기 표면의 1 나노미터 이내에 갇히기 때문이다. 표면이득 기하구조는 유례없는 접근성을 주었고, 그에 따라 전기펌핑에 의한 구동을 가능하게 하는, 정전기적 게이트 조절과 전류 주입과 같은, 외부적 제어를 통한 이득성질 재단하기가 가능해졌다. 본 연구단의 도식은 확장·축소 가능하고 칩상 광통신 기술을 위한 광자적 집적회로와 조합가능하다.



[원문]

Engineering the electromagnetic environment of a nanometre-scale light emitter by use of a photonic cavity can significantly enhance its spontaneous emission rate, through cavity quantum electrodynamics in the Purcell regime. This effect can greatly reduce the lasing threshold of the emitter, providing a low-threshold laser system with small footprint, low power consumption and ultrafast modulation. An ultralow-threshold nanoscale laser has been successfully developed by embedding quantum dots into a photonic crystal cavity (PCC). However, several challenges impede the practical application of this architecture, including the random positions and compositional fluctuations of the dots, extreme difficulty in current injection, and lack of compatibility with electronic circuits. Here we report a new lasing strategy: an atomically thin crystalline semiconductor—that is, a tungsten diselenide monolayer—is non-destructively and deterministically introduced as a gain medium at the surface of a pre-fabricated PCC. A continuous-wave nanolaser operating in the visible regime is thereby achieved with an optical pumping threshold as low as 27 nanowatts at 130 kelvin, similar to the value achieved in quantum-dot PCC lasers. The key to the lasing action lies in the monolayer nature of the gain medium, which confines direct-gap excitons to within one nanometre of the PCC surface. The surface-gain geometry gives unprecedented accessibility and hence the ability to tailor gain properties via external controls such as electrostatic gating and current injection, enabling electrically pumped operation. Our scheme is scalable and compatible with integrated photonics for on-chip optical communication technologies.




3. 용어 대응

ultralow: 극도로 낮은

monolayer: 한켜

light emitter: 빛 放出 방출기

photonic cavity: 광자적 공진기

spontaneous emission rate: 자발방출률

quantum dot: 양자점

photonic crystal cavity (PCC): (광공기) 광자결정 공진기

compositional: 합성적

fluctuation: 搖動 요동

tungsten diselenide: 이셀렌화텅스텐

optical pumping: 광펌핑

gain medium: 이득매질

direct gap: 직접틈

exciton: 들뜸알

confine: 가두다

gating: 게이트 조절

scheme: 圖式 도식

scalable: 확장·축소 가능한

on-chip: chip上 칩상






4. 그림














2015년 3월 18일

과꾸로







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초록빛논문 소개:

모든 중요 논문이 영어로 나오는 시대에, 한국의 연구자들이 최근 연구를 쉽게 접할 수 있도록, 논문의 초록을 한국어로 번역하여 소개한다. 한국어 용어는 한국물리학회의 물리학 용어집을 기본적으로 따른다. 초록이 없는 논문의 경우 초록 대신 논문 본문의 첫 문단을 번역하여 소개한다. 분야는 나노광학, 표면 플라즈몬, 메타물질 등을 다룬다.


번역자

카이스트 물리학 박사

현재 호주 연방연구소 CSIRO 박사후 연구원

이어가기: http://www.yhwang.info

트위터: @gguro

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