Терагерцовое излучение — вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами. Оно особенно интересно тем, что беспрепятственно проходит сквозь большинство диэлектриков. Так, например, дерево, пластик, керамика для него являются прозрачными. Кроме того, в отличие, например, от рентгеновского излучения, оно абсолютно безопасно для организма человека.
Эти особенности делают терагерцовые источники крайне привлекательными для целой области практических применений. Например, ТГц излучение может использоваться в системах безопасности для сканирования багажа и людей. С его помощью можно обнаружить спрятанные под одеждой человека металлические, керамические, пластиковые и другие предметы на расстояниях до десятков метров. В медицинской области терагерцовые томографы смогут позволить исследовать верхние слои тела (например, кожу, сосуды) на глубине всего в несколько сантиметров и получать высокоточные изображения опухолей. Кроме того, совершенствование приемных камер на основе терагерцового излучения открывает возможность получать снимки поверхностей, скрытых под слоями штукатурки или краски, что сделает реальным бесконтактное восстановление предметов искусства.
Интенсивные исследования в этой области ведутся на протяжении последних двадцати лет. За это время ученые предложили различные схемы терагерцовых лазеров — как на атомарных, так и на твердотельных средах. Так, широко известны газовые лазеры, источники на основе графена — как однослойного, так и двухслойного, устройства на основе фотонных кристаллов, квантово-каскадные лазеры, а также лазеры с нелинейным преобразованием частоты излучения.
Для применения в большинстве указанных прикладных областей терагерцовый лазер должен соответствовать критериям миниатюрности и портативности, а также иметь высокий КПД. Однако в настоящий момент подавляющее большинство предложенных устройств имеют достаточно низкий КПД. Кроме того, они не отличаются гибкостью настройки своих характеристик: параметры излучения, и, в первую очередь его частота, жестко задаются параметрами самой системы. Поэтому перестраивать частоту излучения лазера оказывается фактически невозможно.
Решению этой проблемы посвящена работа группы ученых Университета ИТМО Ваника Шахназаряна, Ивана Шелых, Александра Алоджанца и их коллеги из Владимирского государственного университета Игоря Честнова, которые в теории предложили модель нового типа терагерцового твердотельного лазера на основе асимметричных квантовых точек из нитрида галлия.
«В нашей работе мы задались целью создать такой терагерцовый лазер, который прежде всего имел бы высокую настраиваемость. В предложенной нами модели можно легко контролировать частоту излучения, просто меняя частоту или амплитуду внешнего так называемого "одевающего" поля, — рассказывает Ваник Шахназарян, один из авторов исследования, научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО
Под электромагнитным «одеванием» материальной среды понимается режим сильного взаимодействия между веществом (в простейшем случае его можно моделировать с помощью двухуровневой квантовой системы) и внешним лазерным излучением. В таком режиме наличие лазерного излучения существенно меняет свойства материальной среды. Возникают гибридные электрон-полевые состояния, называемые «одетыми», представляющие собой квантовую смесь материальной подсистемы и взаимодействующих с ней фотонов лазерного излучения. Указанные новые состояния обладают разной энергией. При это энергетический зазор между соседними одетыми состояниями — так называемое Раби-расщепление — в типичных полупроводниковых структурах лежит в терагерцовом диапазоне. Таким образом, если удастся заставить систему совершить переход с верхнего «одетого» состояния на нижнее, согласно законам квантовой физики она будет испускать терагерцовое электромагнитное излучение.
«В симметричных двухуровневых структурах такой переход невозможен, при этом большинство двухуровневых квантовых систем (к примеру, большинство атомов в основном состоянии) являются как раз симметричными», — добавляет Ваник Шахназарян.
Именно поэтому задачей ученых было найти двухуровневую асимметричную систему (примеры таких систем, в частности, имеются в области сверхпроводящих кубитов). В данном случае в качестве такой асимметричной двухуровневой структуры авторы исследования использовали квантовые точки на основе нитрида галлия. Одной из примечательных особенностей этого вещества является наличие так называемого пьезоэлектрического эффекта, возникающего в силу особенностей устройства кристаллической структуры материала.
Благодаря этому эффекту внутри квантовой точки возникает сильное электрическое поле, которое разносит в пространстве электрон проводимости и его антипод, так называемую «дырку» (положительно заряженная квазичастица в полупроводниках). Поэтому квантовые точки на основе нитрида галлия в возбужденном состоянии обладает постоянным дипольным моментом. Именно наличие этого дипольного момента, в свою очередь, обуславливает асимметричность структуры. Благодаря этому два состояния квантовой точки — основное и возбужденное — не эквивалентны друг другу. В отличие от возбужденного состояния, в основном состоянии в квантовой точке нет ни электрона проводимости, ни дырки, соответственно нет и дипольного момента.
Исследованием подобной структуры ученые Университета ИТМО занимаются с 2012 года — тогда руководитель международной лаборатории «Низкоразмерные квантовые материалы» Университета ИТМО Иван Шелых вместе с группой специалистов начал работу по изучению спектра излучения одиночной асимметричной квантовой точки, помещенной под действие одевающего электромагнитного поля. Результатом исследований стало доказательство того, что в таких структурах действительно возникает переход между соседними «одетыми» уровнями, частота которого лежит в терагерцовом диапазоне.
«Учитывая, что у нас есть асимметричная квантовая точка, которая обладает излучением в терагерцовом диапазоне, мы развили эту идею в настоящем исследовании. А именно, мы решили рассмотреть ситуацию, когда имеется много таких точек, для усиления сигнала помещенных в резонатор, и таким образом получить терагерцовый лазер. Однако надо понимать, что при реализации такой системы на практике необходимо учесть еще целый ряд проблем», — говорит Ваник Шахназарян.
Первая проблема связана с тем, что, в отличие от атомарных систем, квантовые точки отличаются между собой по размеру. Размер квантовой точки определяет ее энергетический спектр, и таким образом получается, что каждая квантовая точка имеет свои энергии «одетых» состояний и, соответственно, индивидуальное Раби-расщепление. Из-за этого все квантовые точки не могут излучать синхронно, и излучение большого их количества характеризуется достаточно широким спектром. Это значит, что, в отличие от оптического диапазона (в обычных лазерах ширина линии сильно меньше, чем сама частота излучения), в этом случае уширение частоты настолько велико, что грозит полностью «убить» лазерное излучение.
Еще одной проблемой является необходимость упорядочить квантовые точки в пространстве, а именно обеспечить сонаправленность осей роста кристаллической структуры. То есть для получения лазерного излучения необходимо «вырастить» множество квантовых точек, которые будут не только идентичными по размеру, но и иметь параллельные между собой оси асимметрии (вдоль которых направлены постоянные дипольные моменты квантовых точек).
На данном этапе исследования ученым удалось построить перспективную теоретическую модель нового типа твердотельного терагерцового лазера. Найдены значения характерных параметров системы, при которых в системе будет устанавливаться режим генерации терагерцового излучения. Также рассчитана квантовая эффективность (параметр, в широком смысле характеризующий КПД лазерных источников) излучения. Результаты работы были опубликованы в журнале ACS Photonics, отдельную обзорную статью исследованию посвятил ученый из Университета Саутгемптона Симоне де Либерато. Этот материал был опубликован в журнале Nature news and views.
В будущем, чтобы опробовать теоретическую модель экспериментально, ученым предстоит решить проблемы, связанные с уширением в силу неэквивалентности квантовых точек, а также с большими интенсивностями одевающего поля. На данном этапе развития экспериментальных техник это весьма нетривиальная задача, говорит Ваник Шахназарян. Однако, по словам Симоне де Либерато, несмотря на этот факт, предложение группы российских ученых определяет перспективный и интересный путь для будущих исследований.
«Технологические успехи в области изготовления квантовых точек могли бы проложить перспективный путь в решении задач, связанных как со снижением уширения, так и с увеличением поверхностной плотности квантовых точек. Это, наряду с улучшением конструкции широкополосных сверх-высокодобротных терагерцовых резонаторов, может превратить предложенную модель в новаторское жизнеспособное устройство. Более того, разработанная в данной работе теория лазера на основе неравновесно уширенных одетых состояний может применяться не только к квантовых точкам, но также для исследования других нецентросимметричных систем», — отмечает Симоне де Либерато.
Статья: Terahertz Lasing in Ensemble of Asymmetric Quantum Dots, Chestnov, I. Yu., Shahnazaryan, V. A., Alodjants, A. P. & Shelykh, I. A. ACS Photonics. 4, 2726–2737 (2017)
