Хотя субволновые нанолазеры, размеры которых меньше длины световой волны по всем трем измерениям, уже существуют для ультрафиолетового, красного и зеленого диапазонов, аналогичный прибор для видимого синего спектра (400-500 нм) до сих пор не создавался. Между тем, лазеры этого диапазона крайне важны для современных технологий. Ключевая сложность заключалась в необходимости сделать лазер наноразмерным. Это означает, что его объем должен быть меньше куба длины волны излучения; например, при длине волны 415 нм это примерно 0,07 микрометров кубических. Ранее из-за ограничений фундаментального характера, связанных с дифракционным пределом, не удавалось эффективно локализовать оптические моды в столь малых объемах.
Успех ИТМО и МФТИ в синтезе и моделировании
"В предыдущих исследованиях не удавалось получить высококачественные одиночные нанокристаллы CsPbCl3 размером менее 200 нм и правильно разместить их на металлической подложке. В нашей работе в ИТМО мы успешно решили эту задачу. Кроме того, эффективное сотрудничество с физиками-теоретиками из МФТИ позволило оптимизировать форму и размер нанокристалла для достижения лазерной генерации", — поделился Сергей Макаров, доктор физико-математических наук, профессор, руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники, директор Инжинирингового центра фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО.
Создание и испытание нанолазера
Физики из ИТМО синтезировали нанокубоиды из перовскита CsPbCl3 размерами 145 x 195 x 190 нм. Их объем составил всего 0,005 микрометров кубических, что примерно в 13 раз меньше куба длины волны излучения. Эти кубоиды были размещены на специальной подложке: серебряной пленке с тонким диэлектрическим слоем (Al2O3), усиливающей оптические резонансы внутри кристалла. Затем образцы охлаждали до 80K и возбуждали короткими лазерными импульсами, фиксируя переход спонтанного свечения в режим лазерной генерации.
Механизм поляритонного лазирования
Излучение в этом лазере генерируется благодаря механизму поляритонного лазирования. Этот механизм характерен для фотоактивных материалов, где носители заряда существуют в виде связанных квазичастиц — экситонов, способных к когерентному излучению. Для понимания принципа работы Денис Баранов из МФТИ разработал теоретическую модель. Он рассчитал оптические моды кубоида, учитывая сильную связь экситонов и фотонов, которая приводит к образованию гибридных частиц — поляритонов. Также он показал, что лазирование происходит благодаря конденсации этих поляритонов на нижнем энергетическом уровне, что и обеспечивает когерентное излучение.
Характер излучения данного нанокубика определяется особой поляритонной модой работы. Это означает, что фотоны испускаются не отдельными участками перовскита, а коллективными, распределенными по всему нанокубику связанными состояниями среды — поляритонами. Нам требовался новый теоретический инструмент для описания этого излучения, и мы успешно разработали его совместно с Николаем Солодовченко из ИТМО, пояснил Денис Баранов, руководитель лаборатории передовой нанофотоники и квантовых материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Удивительно, что для поляритонного лазерного эффекта требуется значительно меньше энергии по сравнению с традиционными лазерными механизмами. Именно это позволило нам создать невероятно компактный нанолазер, для достижения рабочего режима которого не нужны сверхвысокие мощности накачки, добавил Сергей Макаров.
Прорывные характеристики самого миниатюрного синего лазера
Полученный нанолазер, работающий в синем световом диапазоне (400-500 нанометров), является самым маленьким из всех продемонстрированных в этой области. Он в десятки раз компактнее существующих аналогов и впервые преодолел дифракционный предел во всех трех пространственных измерениях. Важным преимуществом стал его низкий порог накачки — около 10 микроджоулей на квадратный сантиметр при работе при температуре 80 градусов Кельвина (-193 градуса Цельсия), что делает его исключительно перспективным для интеграции в фотонные чипы.
Преодоление ограничений и оптимизация
Сейчас наивысшую эффективность лазер демонстрирует исключительно при криогенном охлаждении (80 градусов Кельвина), что обусловлено диссоциацией экситонов в более теплых условиях. Однако авторы уверены, что эту особенность можно преодолеть путем внедрения резонаторов из перовскитов с пониженной размерностью.
Широкие перспективы для фотонных технологий
Разработанный нанолазер открывает захватывающие возможности для создания новых технологий. Прежде всего, это сверхкомпактные источники оптических сигналов, крайне востребованные для систем оптических вычислений на чипе. Их также можно эффективно использовать как фотонные ускорители для электронных процессоров, применяемых в системах искусственного интеллекта.
Дальнейшие шаги разработки
В будущем научный коллектив планирует продолжить создание теоретических моделей для описания формирования поляритонных линий в излучении нанокубика. Параллельно ученые займутся интеграцией своих уникальных источников света в реальные фотонные интегральные схемы. Такое развитие событий даст мощный толчок к практическому воплощению оптических вычислений на компактных чипах для решения самых разных задач — от логистической оптимизации до классификации данных и ускорения алгоритмов ИИ.
Результаты работы представлены учеными из Университета ИТМО, МФТИ, Сколтеха, Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе Российской академии наук и Циндаосского центра инноваций и развития Харбинского инженерного университета (Китай).
Удивительный прогресс в нанофотонике!
Ученые создали инновационный нанолазер. Его габариты поразительно малы, составляя меньше одной десятой микрона в каждом измерении. Эта миниатюрная конструкция полностью состоит из привычного кремния, столь важного для микроэлектроники. Подобное достижение открывает вдохновляющие возможности для новых компьютерных чипов, способных оперировать информацией не только с помощью электронов, но и сверхбыстрых частиц света — фотонов.
Кремний как материал: впечатляющая трансформация
Кремний долгое время считался неподходящим для создания лазеров из-за особенностей его структуры. Потребовались десятилетия настойчивых исследований. И вот, новаторский подход увенчался успехом! Эффективный источник лазерного излучения теперь можно сформировать на основе кремния — материала, лежащего в основе всей современной технологической цивилизации. Это гигантский шаг вперед!
Нанолазер представляет собой микроскопическую кремниевую сферу. Ключевая идея заключается в применении уникальных квазичастиц — экситонов. Они возникают при возбуждении материала особым способом. Для накачки этой системы используется потрясающе сфокусированный пучок электронов.
Перспективы: блистательное будущее оптической связи
Эта революционная разработка создает основу для прорыва в области фотонных вычислений и сверхскоростной оптической передачи данных непосредственно внутри интегральных схем будущих поколений. Слиять компоненты оптоэлектроники с кремниевой платформой — давняя цель исследователей. Теперь она кажется куда более достижимой! Создание нанолазера именно на кремнии — это важнейшая веха. Она обещает яркие перспективы для новых компактных и высокоскоростных устройств.
Источник: naked-science.ru
