Το μικρότερο λέιζερ ημιαγωγών γεννιέται

July 29, 2020

Πρόσφατα, μια διεθνής ομάδα των ερευνητών που οδηγήθηκαν από τους ερευνητές από το πανεπιστήμιο ITMO (Ρωσία) ανήγγειλε ότι έχει αναπτύξει το λέιζερ παγκόσμιων συμπαγέστερο ημιαγωγών στη σειρά ορατού φωτός στη θερμοκρασία δωματίου. Σύμφωνα με το συντάκτη της ερευνητικής ομάδας, αυτό το λέιζερ είναι ένα nanoparticle με ένα μέγεθος μόνο 310 νανομέτρων (περίπου 1/3000 ενός χιλιοστόμετρου), τα οποία μπορούν να παραγάγουν το πράσινο συνεπές φως στη θερμοκρασία δωματίου και μπορούν ακόμη και να δουν με γυμνό μάτι ένα τυποποιημένο οπτικό μικροσκόπιο.

 

Αξίζει ότι οι επιστήμονες έχουν υπερνικήσει επιτυχώς το πράσινο μέρος της ζώνης ορατού φωτός. Ο κύριος ερευνητής αυτού του άρθρου, Sergey Makarov, ένας καθηγητής στη σχολή της φυσικής και της εφαρμοσμένης μηχανικής του πανεπιστημίου ITMO, είπε: «Στους σύγχρονους εκπέμποντες φως ημιαγωγούς, στον τομέα, υπάρχει ένα “πρόβλημα πράσινου χάσματος”. Το πράσινο χάσμα σημαίνει ότι η κβαντική αποδοτικότητα των συμβατικών υλικών ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται στις εκπέμπουσες φως διόδους μειώνεται αισθητά στο πράσινο μέρος του φάσματος. Αυτό το πρόβλημα περιπλέκει την ανάπτυξη των nanolasers θερμοκρασίας δωματίου φιαγμένη από συμβατικά υλικά ημιαγωγών. »

 

Η πανεπιστημιακή ερευνητική ομάδα ITMO επέλεξε perovskite το αλογονίδιο ως υλικό για το νανο λέιζέρ της. Τα παραδοσιακά λέιζερ αποτελούνται από δύο κλειδώνουν ένα στοιχείο-ενεργό μέσο που επιτρέπει τη συνεπή διέγερση και την εκπομπή και ένα οπτικό αντηχείο που βοηθά να περιορίσει την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια μέσα για πολύ καιρό. Perovskite μπορεί να παρέχει αυτά τα δύο χαρακτηριστικά: μια ορισμένη μορφή των μορίων νανομέτρων μπορεί να ενεργήσει και ως ενεργά μέσα και υψηλής απόδοσης αντηχεία. Κατά συνέπεια, οι επιστήμονες πέτυχαν στην παραγωγή 310 νανόμετρο-ταξινομημένων κύβος-διαμορφωμένων μορίων που, όταν διεγείρονται από τους σφυγμούς λέιζερ femtosecond, μπορούν να παραγάγουν την ακτινοβολία λέιζερ στη θερμοκρασία δωματίου.

 

Εν λόγω Ekaterina Tiguntseva, ένας κατώτερος ερευνητής στο πανεπιστήμιο ITMO και ένας από τους ομο-συντάκτες του εγγράφου. «Χρησιμοποιούμε femtosecond τους σφυγμούς λέιζερ στα nanolasers αντλιών. Ακτινοβολούμε απομονωμένος nanoparticles έως ότου επιτυγχάνεται το κατώτατο όριο παραγωγής λέιζερ μιας συγκεκριμένης έντασης αντλιών. Έχουμε αποδείξει ότι αυτό το nanolaser μπορεί να λειτουργήσει μέσα σε τουλάχιστον ένα εκατομμύριο κύκλους διέγερσης. «Η μοναδικότητα του nanolaser που αναπτύσσεται από τη ερευνητική ομάδα δεν περιορίζεται στο μικρό μέγεθός της. Πρόσφατα σχεδιασμένος nanoparticles μπορεί επίσης αποτελεσματικά να περιορίσει την υποκινημένη ενέργεια εκπομπής και να παρέχει την αρκετά υψηλή ηλεκτρομαγνητική ενίσχυση τομέων για την παραγωγή λέιζερ.

 

Το Kirill Koshelev, ένας κατώτερος ερευνητής στο πανεπιστήμιο ITMO και ένας από τους ομο-συντάκτες του άρθρου, εξήγησαν: «Η ιδέα είναι ότι η παραγωγή λέιζερ είναι μια διαδικασία κατώτατων ορίων. Δηλαδή χρησιμοποιείτε τους σφυγμούς λέιζερ που διεγείρουν nanoparticles σε μια συγκεκριμένη ένταση “κατώτατων ορίων” μιας εξωτερικής πηγής φωτός. Τα μόρια αρχίζουν να παράγουν την εκπομπή λέιζερ. Εάν δεν μπορείτε να περιορίσετε το φως σε ένα αγαθό αρκετή σειρά, δεν θα υπάρξει καμία εκπομπή λέιζερ. Στα προηγούμενα πειράματα με άλλα υλικά και συστήματα, αλλά με τις παρόμοιες ιδέες, δείχνει ότι μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την τέταρτος-διαταγή ή δια:τάζω-διατάζετε την αντήχηση της Mie, έτσι σημαίνει ότι στη συχνότητα που παράγεται από το λέιζερ, το ελαφρύ μήκος κύματος στο υλικό ταιριάζει με τον όγκο αντηχείων τέσσερις έως πέντε φορές η αντήχηση. Έχουμε αποδείξει ότι τα μόριά μας υποστηρίζουν την αντήχηση της Mie τρίτος-διαταγής, η οποία είναι η προηγούμενη που γίνεται ποτέ. Με άλλα λόγια, όταν το μέγεθος του αντηχείου είναι ίσο με τρία μήκη κύματος του φωτός μέσα στο υλικό, μπορούμε να παραγάγουμε τη συνεπή υποκινημένη εκπομπή.»

 

Ένα άλλο σημαντικό πράγμα είναι ότι τα nanoparticles μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως λέιζερ χωρίς εφαρμογή της εξωτερικής πίεσης ή των πολύ χαμηλών θερμοκρασιών. Όλα τα αποτελέσματα που περιγράφηκαν στη μελέτη παρήχθησαν στην κανονικές ατμοσφαιρικές πίεση και τη θερμοκρασία δωματίου. Αυτό καθιστά αυτήν την τεχνολογία ελκυστική στους εμπειρογνώμονες που ειδικεύονται στην κατασκευή των οπτικών τσιπ, των αισθητήρων, και άλλων συσκευών που φως χρήσης για να διαβιβάσει και να επεξεργαστεί τις πληροφορίες, συμπεριλαμβανομένων των τσιπ για τους οπτικούς υπολογιστές.

 

Το πλεονέκτημα των λέιζερ που λειτουργούν στη σειρά ορατού φωτός είναι ότι είναι μικρότερα από τις κόκκινες και πηγές υπέρυθρου φωτός με τα ίδια χαρακτηριστικά όταν όλα τα άλλα χαρακτηριστικά είναι τα ίδια. Στην πραγματικότητα, ο όγκος ενός μικρού λέιζερ έχει συνήθως μια κυβική σχέση με το εκπεμπόμενο μήκος κύματος, και δεδομένου ότι το μήκος κύματος του πράσινου φωτός είναι τρεις φορές μικρότερο από αυτό του υπέρυθρου φωτός, το όριο της μικρογράφησης είναι πολύ μεγαλύτερο για τα πράσινα λέιζερ. Αυτό είναι ουσιαστικό για την παραγωγή των εξαιρετικά-συμπαγών συστατικών για τα μελλοντικά οπτικά συγκροτήματα ηλεκτρονικών υπολογιστών.