Чтобы лазеры работали, их рабочий материал (обычно полупроводниковый кристалл) сначала нужно накачать энергией извне — только тогда они начнут генерировать направленный свет. Обычно для этого используют другой лазер или мощную лампу-вспышку. Поэтому рядом с устройствами приходится размещать дополнительный источник энергии и систему питания, из-за чего итоговая конструкция получается громоздкой.
Чтобы отказаться от внешних источников и сделать лазеры наиболее компактными для их интеграции на чипе, ученые давно стремились перейти на электрическую накачку — то есть подавать ток прямо в устройство, как в обычном светодиоде. Один из самых перспективных материалов для решения этой задачи — перовскиты, искусственные кристаллы, которые эффективно конвертируют ток в свет. Однако создать такой лазер непросто: в том числе потому, что под действием тока и при контакте с металлическими электродами кристаллы перовскита быстро разрушаются — они плохо отводят тепло и перегреваются.
Решая проблему перегрева и разрушения кристаллов, команда ученых из ИТМО, Сколтеха и ВШЭ заменила металлические электроды одностенными углеродными нанотрубками. Этот материал не разрушает перовскит, когда ток проходит через сам кристалл. Рабочий элемент лазера — перовскитный пластинчатый микрокристалл — вырастили прямо из химического раствора методом контролируемой кристаллизации, при которой материал формируется постепенно, по мере испарения жидкости. Такой способ гораздо проще и дешевле послойного нанесения материалов в вакуумных камерах, которое обычно применяют в производстве подобных устройств.
Архитектура поляритонного лазерного диода на основе перовскита: CsPbBr3 — формула перовскитного материала, а «бугорок» на его поверхности (на рисунке b) — место физического дефекта, где происходит конденсация захваченных поляритонов и генерация лазерного излучения. Источник: Анатолий Пушкарёв и другие авторы исследования / Nature
Выращенный кристалл поместили между двумя брэгговскими зеркалами: зеркала удерживают свет внутри и заставляют его многократно проходить через кристалл ― за счет этого свет усиливается перед выходом наружу. Такая схема позволила реализовать принцип, в корне отличающийся от привычных лазеров. Между двумя параллельными зеркалами свет многократно отражается и удерживается в ограниченном объеме, где эффективно взаимодействует с перовскитом. Происходят последовательные превращения: свет переходит в электронные возбуждения кристалла и обратно. Так рождаются поляритоны — частицы, обладающие одновременно свойствами света и вещества. Они начинают сильно взаимодействовать друг с другом и при этом обладают очень малой массой. Это делает возможным переход перовскитного устройства в режим конденсации Бозе — Эйнштейна. В этом особом состоянии множество поляритонов начинают вести себя как единое целое — именно такой принцип лежит в основе работы поляритонных лазеров.
В ходе лабораторных испытаний порог лазерной генерации в устройстве был достигнут при постоянном токе всего 60 микроампер. До этого эксперимента прямое электрическое возбуждение перовскитного лазера оставалось нерешенной задачей в научной среде.
Поскольку такие кристаллы можно выращивать прямо из раствора, не используя сложное и дорогое оборудование, в перспективе подобные устройства будет проще и дешевле изготавливать массово.
Пока устройство может работать только в охлаждающей камере при экстремально низкой температуре около –265 °C. Необходимость охлаждать прибор до таких значений сильно ограничивает возможности его применения на практике. В перспективе исследователи рассчитывают добиться стабильной работы лазера при комнатной температуре. Для этого им необходимо улучшить отвод тепла от кристалла и повысить устойчивость материалов, чтобы они не разрушались при длительной работе. Если эти задачи удастся решить, лазеры нового типа можно будет размещать прямо на микрочипах и использовать в портативной электронике.
Кроме того, ученые планируют перейти от одиночного излучающего элемента к целым массивам — наборам из множества таких лазеров, взаимодействующих друг с другом. Это позволит создавать более сложные оптические системы, где световыми сигналами можно гибко управлять прямо на кристалле.
Алексей Юлин. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS
«Поляритонные системы интересны для нелинейной оптики тем, что в них свойства кристаллов могут быстро и очень сильно меняться под действием света — на несколько порядков сильнее, чем, например, в кремнии. Это позволяет наблюдать необычные явления, включая формирование поляритонных конденсатов, то есть переход множества поляритонов в основное квантовое состояние. Перовскиты здесь — одна из самых перспективных платформ из-за потенциальной простоты изготовления и высокой эффективности генерации света. В нашей недавней работе мы впервые показали, что лазерная генерация в таких системах возможна с электрической накачкой», — пояснил ведущий научный сотрудник физического факультета ИТМО, ответственный за теоретическую поддержку и моделирование разработки Алексей Юлин.
Работа ученых из ИТМО была поддержана грантом Российского научного фонда, который ведется под руководством Алексея Юлина. Команда авторов исследования сложилась благодаря давним научным связям: многие участники из ИТМО, ВШЭ и Сколтеха раньше работали вместе, в том числе в рамках совместной программы «Clover» ITMO-Skoltech-MIPT. Со стороны Первого неклассического в исследовании участвовали сотрудники физического факультета лаборант Алексей Экгардт и аспиранты Дарья Хмелевская и Александр Марунченко.
