在他的最新研究领域中，亚利桑那州立大学Ira A. Fulton工学院电气工程教授宁存正(Nun-Zheng-Zing Ning)和他的同事们探索了控制电子，空穴，激子和三重子的复杂物理平衡。共存并相互转换以产生光增益。由清华大学副教授孙浩领导的研究结果最近发表在《自然》杂志《光：科学与应用》上。
宁说：“在研究tri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，当我们有足够的tri子数量时，就可以存在光学增益。”“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，研究小组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未解之谜，它涉及激子如何形成tri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：“如果能在低于Mott跃迁的情况下用激子复合物实现光增益，那么在低功率输入时，可以制造出将来需要少量驱动功率的放大器和激光器。”
这种发展可能会改变高能效的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，因为传统半导体在产生和维持足够的激子能力方面受到限制。
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，他和他的团队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。”这种强的电荷相互作用即使在室温下也能使激子和三重子非常稳定。”
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：“当三元态的电子数量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。”
解决纳米激光的奥秘，一次完成基础科学的一步
尽管这一新发现为Mott过渡难题增添了一块-它揭示了研究人员可以利用其创建低功率2D半导体纳米激光器的新机制，但Ning表示，他们尚不确定这是否与导致这种现象的机制相同。他们的2017年纳米激光的生产。
解决剩余的谜团的工作仍在进行中。
宁说，在1990年代用传统的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，还是将这种光学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这一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。
宁说：“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的人才参与，那么每个人都会受益。ASU提供了一个开放和自由的环境，特别是与中国，德国，日本和全球顶级研究小组的国际合作。”
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方式，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，它们最终可以应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。
Ning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。”