Ett internationellt team av forskare har tillkännagett utvecklingen av världens mest kompakta halvledarlaser som fungerar i det synliga området vid rumstemperatur. Enligt författarna till forskningen, lasern är en nanopartikel på endast 310 nanometer i storlek (vilket är 3, 000 gånger mindre än en millimeter) som kan producera grönt koherent ljus vid rumstemperatur. Forskningsartikeln publicerades i ACS Nano .

För sextio år sedan, i mitten av maj, Den amerikanske fysikern Theodor Maiman demonstrerade funktionen hos den första optiska kvantgeneratorn - en laser. Nu, ett internationellt team av forskare, varav de flesta är från ITMO University, rapporterar att de experimentellt har demonstrerat världens mest kompakta halvledarlaser som fungerar i det synliga området vid rumstemperatur. Detta innebär att det sammanhängande gröna ljuset som den producerar lätt kan registreras och till och med ses med blotta ögat med hjälp av ett vanligt optiskt mikroskop.

Forskarna lyckades utnyttja den gröna delen av det synliga bandet, vilket ansågs vara problematiskt för nanolaser. "I det moderna området av ljusemitterande halvledare, det finns problemet med det "gröna gapet", " säger Sergey Makarov, huvudutredare av artikeln och professor vid fakulteten för fysik och teknik vid ITMO University. "Det gröna gapet innebär att kvanteffektiviteten hos konventionella halvledarmaterial som används för lysdioder faller dramatiskt i den gröna delen av spektrumet. Detta problem komplicerar utvecklingen av rumstemperaturnanolasrar gjorda av konventionella halvledarmaterial."

Teamet valde halidperovskit som material för sina nanolasrar. En traditionell laser består av två nyckelelement - ett aktivt medium som möjliggör generering av koherent stimulerad emission och en optisk resonator som hjälper till att begränsa elektromagnetisk energi inuti under lång tid. Perovskiten kan ge båda dessa egenskaper:En nanopartikel av en viss form kan fungera som både det aktiva mediet och den effektiva resonatorn.

Som ett resultat, forskarna lyckades tillverka en kubisk partikel med en storlek på 310 nanometer, som kan generera laserstrålning vid rumstemperatur när den fotoexciteras av en femtosekundlaserpuls.

"Vi använde femtosekundlaserpulser för att pumpa nanolasrarna, säger Ekaterina Tiguntseva, en juniorforskare vid ITMO University och en av artikelns medförfattare. "Vi bestrålade isolerade nanopartiklar tills vi nådde tröskeln för lasergenerering vid en specifik pumpintensitet. Efter det, nanopartikeln börjar fungera som en typisk laser. Vi visade att en sådan nanolaser kan fungera under minst en miljon excitationscykler."

Det unika med den utvecklade nanolasern är inte begränsad till dess ringa storlek. Den nya designen av nanopartiklar möjliggör effektiv inneslutning av den stimulerade emissionsenergin för att ge en tillräckligt hög förstärkning av elektromagnetiska fält för lasergenerering.

"Tanken är att lasergenerering är en tröskelprocess, " förklarar Kirill Koshelev, en juniorforskare vid ITMO University och en av artikelns medförfattare. "Du exciterar nanopartikeln med en laserpuls, och vid en specifik "tröskel"intensitet för den externa källan, partikeln börjar generera laseremission. Om du inte kan begränsa ljuset tillräckligt bra, det blir ingen laserstrålning. I de tidigare experimenten med andra material och system, men liknande idéer, det visades att du kan använda Mie-resonanser av fjärde ordningen eller femte ordningen, betyder resonanser där ljusets våglängd inuti materialet passar resonatorvolymen fyra eller fem gånger vid lasergenereringens frekvens. Vi har visat att vår partikel stöder en Mie-resonans av tredje ordningen, vilket aldrig har gjorts tidigare. Med andra ord, vi kan producera en koherent stimulerad emission vid förhållanden när resonatorstorleken är lika med tre våglängder av ljus inuti materialet."

I synnerhet, det finns inget behov av att applicera externt tryck eller mycket låg temperatur för att nanopartikeln ska fungera som en laser. Alla effekter som beskrivs i forskningen producerades vid ett vanligt atmosfärstryck och rumstemperatur. Detta gör tekniken attraktiv för specialister som fokuserar på att skapa optiska chips, sensorer och andra enheter som använder ljus för att överföra och bearbeta information, inklusive chips för optiska datorer.

Fördelen med lasrar som fungerar i det synliga området är att med alla andra egenskaper lika, de är mindre än röda och infraröda källor med samma egenskaper. Saken är, volymen av de små lasrarna har i allmänhet ett kubiskt beroende av emissionens våglängd, och eftersom våglängden för grönt ljus är tre gånger mindre än det för infrarött ljus, gränsen för miniatyrisering är mycket större för gröna lasrar. Detta är väsentligt för produktionen av ultrakompakta komponenter för framtida optiska datorsystem.