Экзотическое квантовое состояние помогло создать самый маленький лазер
Современные лазеры уже не такие громоздкие, как раньше, но их размер все равно не позволяет использовать такие устройства для некоторых применений. Физики придумали, как создать лазер из пластинки материала толщиной всего в один атом
Когда частицы охлаждаются до температуры чуть выше абсолютного нуля, они образуют конденсат Бозе-Эйнштейна — состояние материи, в котором все частицы имеют одну и ту же энергию и, таким образом, реагируют на какое-либо воздействие в унисон. Таким образом, конденсат, состоящий из десятков тысяч частиц, ведет себя так, как если бы он был одной гигантской квантовой частицей. Это состояние материи создают из бозонов — чаще всего ими выступают атомы с четным массовым числом или фотоны.
Международная группа исследователей решила создать конденсат Бозей-Эйнштейна из квазичастиц экситон-поляритонов. Они образуются в материалах при взаимодействии фотона с электроном. Ученые исследовали двумерный селенид молибдена MoSe2 — слой кристалла толщиной всего в один атом. Этот материал принадлежит к семейству дихалькогенидов переходных металлов, которые являются непрямозонными полупроводникам. При уменьшении их линейных размеров до толщины в один атом они ведут себя как прямозонные полупроводники, способные эффективно поглощать и излучать свет.
В своих экспериментах исследователи собрали листы MoSe2 толщиной менее нанометра и поместили их между чередующимися слоями диоксида кремния и диоксида титана (SiO2/TiO2), которые отражают свет, как зеркало. Полученная структура действует как клетка для света — в ней он многократно отражается и теряет энергию, в конце концов поглощаясь материалом. Команда охлаждала систему до 4 кельвинов (-269,15°C) и облучала ее короткими лазерными импульсами для получения экситонов — электронных возбуждений в кристалле.
Эти экситоны затем соединялись с фотонами в материале, в результате чего формировались экситон-поляритоны. Используя метод импульсной микро-фотолюминесцентной спектроскопии, исследователи наблюдали внезапное увеличение светового излучения образца выше определенного порога интенсивности лазера — это указывает на генерацию в материале экситон-поляритонов. По словам авторов, в теории это явление может быть использовано для создания источников лазерного света в виде слоев толщиной в один атом.
Статья исследователей опубликована в журнале Nature Materials.