로스 알라모스 국립연구소(Los Alamos National Laboratory)의 연구진은 나노미터의 양자점에 전자를 도핑함으로써 자극과 에너지 손실을 줄일 수 있는 새로운 양자점 레이저를 개발했다. 이 연구결과는 안과 수술용 메스와 같이 초소형 레이저 장치를 만드는데 적용될 수 있을 것이다.
제조 과정에서 입자의 조성을 적절하게 조절하고 각각의 양자점 속에 두 개 또는 더 이상의 전자들을 주입함으로써, 양자점이 더 많은 레이저 광을 방출할 수 있었다. 이 양자점은 레이저 동작을 시작하는데 더 적은 전력을 필요로 했다.
레이저 광을 방출하게 하기 위해서는 고에너지 전자상태의 전자 수가 저에너지 상태의 전자 수를 초과해야 한다. 이러한 조건을 달성하기 위해서는 특정 출력의 외부 자극(광학 또는 전기)을 인가해야 한다. 이번에 새롭게 설계된 양자점은 전자를 추가로 주입함으로서 이런 임계값을 거의 제로로 줄일 수 있었다.
이 연구의 또 다른 중요한 요소는 기존 양자점보다 훨씬 더 오랫동안 레이저 활성화 상태를 유지할 수 있다는 것이다. 일반적으로 여분의 전자는 양자점 에너지가 열로 빠르게 방출되게 하기 때문에 레이저 생성을 억제한다. 이번 연구에서는 이런 손실을 없앨 수 있도록 양자점의 열 방출 채널을 재조절하였다.
이 연구는 광섬유에서부터 레이저 발광까지 다양한 분야에 적용될 수 있는 저-임계 레이저 장치를 구현하는데 새로운 길을 열어줄 수 있을 것이다.
이 연구결과는 저널 Nature Nanotechnology에 “Towards zero-threshold optical gain using charged semiconductor quantum dots” 라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nnano.2017.189).
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