Ученые из ИТМО, Сколтеха и Высшей школы экономики (ВШЭ) первыми в мире создали перовскитный лазер, работающий напрямую от электрического тока. Обычные лазеры для работы требуют внешней подсветки — еще одного лазера или мощной лампы. В итоге это делает всю конструкцию громоздкой. Здесь же достаточно просто подключить устройство к источнику тока, как обычный светодиод. Технология дешевле существующих решений, так как перовскитные кристаллы легко выращиваются прямо из раствора. В перспективе такие компактные источники лазерного света могут применяться в оптических чипах, сенсорах и квантовых устройствах. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

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.

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.

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.

Источник

Присоединяйтесь к нам в Telegram