Создан самый маленький полупроводниковый нанолазер
В этом году международное сообщество физиков-оптиков празднует юбилей знаменательного события — ровно 60 лет назад, в середине мая 1960 года, американский физик Теодор Майман продемонстрировал работу первого лазера. И вот, спустя шесть десятков лет международная группа ученых, большую часть которых составили исследователи Университета ИТМО, опубликовала работу, в которой описан самый компактный на сегодняшний момент полупроводниковый лазер, работающий в видимом диапазоне, то есть излучаемый им зеленый свет легко регистрировать или даже видеть глазом в стандартном оптическом микроскопе.
Важно отметить, ученым покорилась считавшаяся ранее проблемной для нанолазеров зеленая часть видимого спектра.
«В современной области светоизлучающих полупроводников существует такое понятие, как Green gap (англ. "зеленый провал")» – рассказывает соавтор работы, главный научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Сергей Макаров. – «Когда в зеленой области спектра происходит падение квантовой эффективности у стандартных полупроводниковых материалов для светодиодов, и сделать полноценный нанолазер, работающий при комнатной температуре, на их основе крайне затруднительно».
Команда петербургских исследователей выбрала в качестве материала для своего нанолазера перовскит. Традиционный лазер состоит из двух основных элементов – активной среды, которая позволяет генерировать лазерное излучение и оптического резонатора, позволяющего удерживать электромагнитную энергию внутри долгое время. Перовскит может объединить в себе эти свойства – наночастица кубической формы способна выполнять и роль активной среды, и роль резонатора.
В результате ученым удалось получить наночастицу размером 310 нанометров, которая при возбуждении ее фемтосекундным лазером способна поддерживать лазерную генерацию при комнатной температуре.
«Для накачки нанолазера мы использовали фемтосекундные лазерные импульсы, – рассказывает соавтор работы младший научный сотрудник Университета ИТМО Екатерина Тигунцева, – и облучаем ими в микроскопе одиночную наночастицу, пока при определенной интенсивности мы не преодолеваем порог лазерной генерации. Тогда наночастица и начинает работать именно как полноценный лазер. Мы показали, что такой лазер работает как минимум на протяжении миллионов актов накачки внешними импульсами». Статья с описанием исследования ученых опубликована в журнале ACS Nano.
Уникальность полученного нанолазера заключается не только в его размерах. Дело еще и в том, насколько он хорошо удерживает в себе энергию вынужденного излучения, чтобы обеспечить достаточное усиление электромагнитных полей для появления лазерной генерации.
«Вся идея в том, что лазерная генерация – это пороговый процесс, — объясняет соавтор работы младший научный сотрудник Университета ИТМО Кирилл Кошелев, — то есть вы светите внешним лазером на частицу, и при какой-то определенной, "пороговой", интенсивности внешнего источника сама частица начинает генерировать лазерное излучение. Если свет очень плохо удерживается внутри, то вы, сколько бы ни светили, никогда не получите лазерной генерации. В предыдущих работах с другими материалами и системами, но похожими идеями, показывали, что можно использовать резонансы Ми четвертого и пятого порядков — это значит, что длина волны в материале укладывалась внутри резонатора четыре или пять раз, на частоте лазерной генерации. Мы же показали, что наша частица излучает на резонансе Ми третьего порядка, что сделано впервые. Иными словами, мы можем добиться когерентного вынужденного излучения, если длина волны в перовските укладывается внутри частицы всего три раза».
Очень важно и то, что наночастица работает как лазер не при каком-то особом давлении или крайне низкой температуре. Все описанные эффекты удалось наблюдать при стандартном атмосферном давлении и комнатной температуре. Это может привлечь специалистов, которые занимаются созданием оптических чипов, сенсоров и других приборов, использующих свет для передачи и обработки информации. В том числе это может быть использовано для создания чипов для оптического компьютера.
Преимуществом лазеров, работающих в видимом диапазоне, является то, что они, при прочих равных, меньше, нежели красные и инфракрасные излучатели аналогичных характеристик. Дело в том, что размер излучателя кубически зависим от длины волны излучения, а поскольку длина волны зеленого света в три раза меньше, чем инфракрасного, то и предельный уровень миниатюризации также простирается для зеленых нанолазеров дальше. Это важно для создания сверхкомпактных компонент для будущих оптических вычислительных систем.
Материал предоставлен пресс-службой ИТМО