Een internationaal team van onderzoekers heeft de ontwikkeling aangekondigd van 's werelds meest compacte halfgeleiderlaser die bij kamertemperatuur in het zichtbare bereik werkt. Volgens de auteurs van het onderzoek de laser is een nanodeeltje van slechts 310 nanometer groot (dat is 3, 000 keer minder dan een millimeter) die bij kamertemperatuur groen coherent licht kan produceren. Het onderzoeksartikel is gepubliceerd in ACS Nano .

Zestig jaar geleden, half mei, De Amerikaanse natuurkundige Theodor Maiman demonstreerde de werking van de eerste optische kwantumgenerator:een laser. Nutsvoorzieningen, een internationaal team van wetenschappers, waarvan de meesten afkomstig zijn van de ITMO University, meldt dat ze experimenteel 's werelds meest compacte halfgeleiderlaser hebben gedemonstreerd die in het zichtbare bereik bij kamertemperatuur werkt. Dit betekent dat het coherente groene licht dat het produceert gemakkelijk kan worden geregistreerd en zelfs met het blote oog kan worden gezien met behulp van een standaard optische microscoop.

De wetenschappers slaagden erin het groene deel van de zichtbare band te benutten, wat als problematisch werd beschouwd voor nanolasers. "Op het moderne gebied van lichtemitterende halfgeleiders, er is het probleem van de 'groene kloof', " zegt Sergey Makarov, hoofdonderzoeker van het artikel en professor aan de Faculteit Natuurkunde en Engineering van de ITMO University. "De groene kloof betekent dat de kwantumefficiëntie van conventionele halfgeleidermaterialen die worden gebruikt voor lichtemitterende diodes dramatisch daalt in het groene deel van het spectrum. Dit probleem bemoeilijkt de ontwikkeling van nanolasers op kamertemperatuur gemaakt van conventionele halfgeleidermaterialen."

Het team koos halide-perovskiet als materiaal voor hun nanolasers. Een traditionele laser bestaat uit twee belangrijke elementen:een actief medium dat zorgt voor het genereren van coherente gestimuleerde emissie en een optische resonator die helpt om elektromagnetische energie voor een lange tijd op te sluiten. De perovskiet kan beide eigenschappen bieden:een nanodeeltje met een bepaalde vorm kan zowel als het actieve medium als de efficiënte resonator fungeren.

Als resultaat, slaagden de wetenschappers erin een kubusvormig deeltje van 310 nanometer groot te maken, die laserstraling kan genereren bij kamertemperatuur wanneer deze wordt geëxciteerd door een femtoseconde laserpuls.

"We gebruikten femtoseconde laserpulsen om de nanolasers te pompen, " zegt Ekaterina Tiguntseva, een junior research fellow aan de ITMO University en een van de co-auteurs van het artikel. "We bestraalden geïsoleerde nanodeeltjes totdat we de drempel van lasergeneratie bereikten bij een specifieke pompintensiteit. Daarna, het nanodeeltje begint te werken als een typische laser. We hebben aangetoond dat zo'n nanolaser kan werken gedurende minstens een miljoen excitatiecycli."

Het unieke van de ontwikkelde nanolaser is niet beperkt tot zijn kleine formaat. Het nieuwe ontwerp van nanodeeltjes zorgt voor een efficiënte opsluiting van de gestimuleerde emissie-energie om een ​​voldoende hoge versterking van elektromagnetische velden voor lasergeneratie te bieden.

"Het idee is dat lasergeneratie een drempelproces is, " legt Kirill Koshelev uit, een junior research fellow aan de ITMO University en een van de co-auteurs van het artikel. "Je prikkelt het nanodeeltje met een laserpuls, en bij een specifieke 'drempel'-intensiteit van de externe bron, het deeltje begint laseremissie te genereren. Als je het licht niet goed genoeg binnen kunt houden, er zal geen laseremissie zijn. In de vorige experimenten met andere materialen en systemen, maar soortgelijke ideeën, er is aangetoond dat je Mie-resonanties van de vierde of vijfde orde kunt gebruiken, dit betekent resonanties waarbij de golflengte van het licht in het materiaal vier of vijf keer past bij het resonatorvolume bij de frequentie van lasergeneratie. We hebben aangetoond dat ons deeltje een Mie-resonantie van de derde orde ondersteunt, wat nog nooit eerder is gedaan. Met andere woorden, we kunnen een coherente gestimuleerde emissie produceren onder de omstandigheden waarin de resonatorgrootte gelijk is aan drie golflengten van licht in het materiaal."

Opmerkelijk, er is geen externe druk of zeer lage temperatuur nodig om het nanodeeltje als laser te laten werken. Alle effecten die in het onderzoek zijn beschreven, zijn geproduceerd bij een normale atmosferische druk en kamertemperatuur. Dit maakt de technologie aantrekkelijk voor specialisten die zich richten op het maken van optische chips, sensoren en andere apparaten die licht gebruiken om informatie over te dragen en te verwerken, inclusief chips voor optische computers.

Het voordeel van lasers die in het zichtbare bereik werken, is dat als alle andere eigenschappen gelijk zijn, ze zijn kleiner dan rode en infraroodbronnen met dezelfde eigenschappen. Het ding is, het volume van de kleine lasers heeft over het algemeen een kubieke afhankelijkheid van de golflengte van de emissie, en aangezien de golflengte van groen licht drie keer kleiner is dan die van infrarood licht, de grens van miniaturisatie is een stuk groter voor groene lasers. Dit is essentieel voor de productie van ultracompacte componenten voor toekomstige optische computersystemen.