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 оптического квантового генератора или, проще говоря, лазера. Это стало началом новой эпохи: с тех пор лазеры стали неотъемлемой частью нашей жизни.

Спустя шесть десятков лет международная группа ученых, большую часть которых составили исследователи из Университета ИТМО, опубликовала работу, в которой описан самый компактный на сегодняшний момент лазер, работающий при комнатной температуре в видимом диапазоне. То есть излучаемый им зеленый когерентный свет нетрудно 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” (“зеленый провал”, ― прим. ITMO.NEWS), 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», ― рассказывает руководитель работы, главный научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Сергей Макаров.

Выбор материала

Проблема «зеленого провала» осложняла создание сверхмалого зеленого лазера на основе металл-диэлектрической технологии, которая последние десять лет успешно используется для создания субволновых лазеров, работающих в инфракрасном спектре.

«Когда люди стали пытаться делать такие нанолазеры в видимом диапазоне, они старались сделать все точно так же, как в металл-диэлектрических ИК-лазерах, где свет мог быть “зажат” до размеров меньше длины волны за счет возбуждения плазмонов в металлических частях, ― рассказывает Сергей Макаров. ― Однако в видимом диапазоне из-за значительных потерь в большинстве металлов свет превращался в паразитное тепло, разрушая нанолазер».

Для решения этих проблем команда петербургских физиков и химиков и их зарубежные коллеги из Австралийского национального университета, Технического университета Чалмерса и Техасского университета Далласа решили отказаться от металл-диэлектрической схемы в пользу полностью диэлектрической концепции и обратили свое внимание на перовскит, у которого очень высокие показатели квантовой эффективности люминесценции в видимом диапазоне. Кроме того, физические свойства перовскита позволили создать оригинальный дизайн нанолазера.

Два в одном

Традиционный лазер состоит из двух основных элементов ― активная среда, которая позволяет генерировать лазерное излучение, и оптический резонатор, позволяющий удерживать электромагнитную энергию внутри долгое время. Перовскит может объединить в себе эти свойства: наночастица правильной формы способна выполнять и роль активной среды, и роль резонатора.

«Чтобы удерживать излучение и усиливать его внутри наночастицы, мы используем геометрические резонансы, при которых длина волны света внутри материала укладывается целое число раз от одной грани до другой, ― рассказывает соавтор работы, младший научный сотрудник Университета ИТМО Кирилл Кошелев. ― Этот эффект называется геометрическим резонансом или резонансом Ми ― по имени Густава Ми, который описал похожие явления для сферических частиц более 100 лет назад. У перовскита кубическая кристаллическая решетка, и если создавать из него необходимые нам наночастицы путем химического синтеза, то эти частицы сами приобретают форму куба, а это очень хорошая форма для резонатора, поскольку у нее много направлений симметрии ― она хорошо удерживает энергию».

Методом химического синтеза

Несмотря на то, что перовскит имеет кристаллическую решетку и при определенных условиях его частицы сами принимают форму, близкую к кубической, получить наночастицу нужного размера и формы не так просто. Для этого необходимо создать особые условия.

«Традиционно кубические частицы перовскита получали, скорее, при помощи таких методов, когда сначала получается шарообразная частица, а потом он становится кубиком, ― рассказывает соавтор работы, младший научный сотрудник Университета ИТМО Александра Фурасова. ― Но для задач нанофотоники это не подходит, поскольку частицы оказываются слишком большими. Мы использовали двухстадийный химический синтез ― сначала получали бромид свинца (II) (PbBr₂), такие маленькие зародыши кристаллов, а потом уже добавляли бромид цезия (CsBr), чтобы получились кубы из перовскитов (CsPbBr₃). Известные ранее методы химического синтеза, описанные в предыдущих работах, не позволяли получить одиночные частицы необходимого размера, а нам нужно было получить отдельные нанокристаллы для дальнейших исследований и применений. Поэтому мы растили перовскиты на специальных подложках и особым образом регулировали влажность, температуру и подбор растворителей».

Однако даже такой метод дает различные по своему размеру частицы. После синтеза необходимо было путем сложного математического моделирования определить, какие именно кристаллы подойдут для эксперимента. В результате выбор пал на частицы размером 310 нанометров.

Как все работает

Однако сам по себе кристалл ― это еще не лазер. Чтобы он начал излучать свет, его надо возбудить или, как еще говорят, «накачать» энергией до такого состояния, что произойдет вынужденное излучение.

«Для накачки нанолазера мы используем фемтосекундные лазерные импульсы и облучаем ими в микроскопе одиночную наночастицу, пока при определенной интенсивности мы не преодолеем порог лазерной генерации, ― рассказывает соавтор работы, младший научный сотрудник Университета ИТМО Екатерина Тигунцева. ― Тогда наночастица и начинает работать именно как полноценный лазер. Мы показали, что такой лазер работает как минимум на протяжении миллионов актов накачки внешними импульсами».

Уникальность полученного нанолазера заключается не только в его размерах. Дело еще и в том, насколько хорошо он 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 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».

Перспективы

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 с аналогичными характеристиками. Дело в том, что размер излучателя обычно 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 гораздо дальше. Это важно для создания сверхкомпактных компонент для будущих оптических вычислительных систем.

Статья опубликована в одном из ведущих журналов по данной тематике ACS Nano. Стоит отметить, что этот журнал индексируются в престижном международном рейтинге Nature Index, показывающем уровень научных учреждений в зависимости не только от количества высокоуровневых статей, но и вклада в них авторов из университетов или институтов. В данном рейтинге Университет ИТМО входит в тройку ведущих российских вузов по физике, а также уверенно лидирует в разделах, не связанных с исследованиями о ядерной физике.

Статья: Tiguntseva E., Koshelev K., Furasova A., Tonkaev P., Mikhailovskii V., Ushakova E.V., Baranov D.G., Shegai T., Zakhidov A.A., Kivshar Y., Makarov S.V. Room-Temperature Lasing from Mie-Resonant Non-Plasmonic Nanoparticles. ACS Nano, 2020/10.1021/acsnano.0c01468