Разработан рекордно маленький нанолазер для сверхкомпактных чипов

Ученые ИТМО побили свой же рекорд по величине самого компактного в мире нанолазера: им удалось уменьшить размер наночастицы с 310 нанометров до 200 (это в 5 тысяч раз меньше миллиметра!). Установка работает при комнатной температуре, а увидеть излучаемый лазером зеленый свет можно в стандартном оптическом микроскопе. Разработка поможет в создании мельчайших деталей для цифровых микроустройств и приборов для анализа показателей здоровья, а также позволит повысить качество цветопередачи экранов в очках виртуальной реальности.

Нанолазеры — это лазеры, размер которых меньше длины волны света (или фотона — частицы света), излучаемого ими. Как правило, их величина во всех трех пространственных измерениях (длина, высота и ширина) исчисляется в сотнях нанометров. С помощью таких устройств создаются мельчайшие детали для микроэлектродных приборов. К ним относятся не только, например, сложная вычислительная техника для лабораторий, но и медицинские приборы и даже отдельные составляющие игровых приставок. С каждым годом микроэлектроника становится все сложнее и требует создания все более компактных компонентов, однако лишь единичные установки из-за своих ограничений по размерам позволяют производить их.

Ученые ИТМО предложили новые технологии для создания нанолазеров, которые бы соответствовали этим требованиям. Разработка представляет собой наночастицу перовскита (созданный в лаборатории материал с химическим составом CsPbBr3) в форме кубоида. Этот материал изучается в университете с 2017 года. За это время ученым удалось доказать, что он стабилен, имеет высокий коэффициент оптического усиления (позволяет использовать энергию света максимально эффективно), а главное — он лучше всего работает в зеленом спектре.

Долгое время этот диапазон длин волн был наиболее проблемным для создания компактных лазеров, особенно в масштабах производства. Этой части видимого спектра даже дали название green gap («зеленая яма/ пробел»). Однако ученым с помощью перовскита наконец удалось разрешить этот вопрос. Это открыло возможности для еще большей компактизации нанолазера, так как длина волны зеленых фотонов в три раза меньше инфракрасных, используемых в классических микролазерах.

Большую часть экспериментов провели аспиранты ИТМО Михаил Машарин и Дарья Хмелевская, руководил проектом Сергей Макаров, доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники ИТМО.

«Ключевая идея предложенного дизайна нанолазера — использование нового механизма его работы за счет выстраивания сильной связи "свет-вещество". Это помогает значительно снизить порог его "включения". Излучение нанолазера имеет направленный характер, что позволяет эффективно собирать его в нашей оптической схеме и регистрировать на лабораторном спектрометре (прибор для фиксации, обработки и анализа волн света)», — рассказывает Сергей Макаров, руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники ИТМО.

На данном этапе исследований ученым удалось разместить частицу перовскита на металле. Это открывает возможности для создания установки нанолазера, работа которого будет активироваться электричеством, а не светом, как это происходит сейчас. На основе таких сверхкомпактных лазерных диодов с электрической «накачкой» можно будет создавать микропиксели в очках дополненной реальности, медицинских приборах мониторинга состояния человека, а также в многофункциональных оптических чипах.

Работа проводилась в рамках программы «Приоритет 2030».