Учёные Академического университета создали плазмон-поляритонный нанолазер с рекордно малыми размерами
Исследовательская группа Академического университета представила результаты работы в области нанофотоники — одного из самых перспективных направлений современной физики. Учёные разработали и изготовили плазмон-поляритонные нанолазеры на основе нитевидных кристаллов с шириной линии излучения 0,15 нм и малых размеров. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-79-00012).
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nanoscale Horizons.
Что такое плазмон-поляритонный нанолазер?
Рис. 1 – Схематичное изображение плазмонного нанолазера
Созданные в университете структуры нельзя назвать классическими лазерами. Это так называемые плазмон-поляритонные нанолазеры. Приставка «нано-» отражает тот факт, что хотя бы один из геометрических размеров структуры не превышает 400 нм. В таких устройствах в качестве базового элемента выступают полупроводниковые нитевидные нанокристаллы (ННК).
Термин «плазмон-поляритонный» означает, что для управления светом на наномасштабе используется специфический вид электромагнитных волн. Именно благодаря такому подходу открывается возможность реализации источников излучения с рекордно малыми размерами, недостижимыми в классической лазерной физике.
Технические характеристики и уникальность разработки
Диаметр созданных нанолазеров составляет около 60 нм при длине волны лазерного излучения 440 нм. Для сравнения: у классических лазеров минимальный размер ограничен дифракционным пределом и обычно составляет сотни нанометров или даже микрометры.
В своей работе учёные достигли довольно низких порогов генерации, а в оптимальной конфигурации — недетектируемого порога при низких температурах.
Узкий спектр излучения — показатель совершенства структуры
Рис. 2. – Изображения нитевидных нанокристаллов, полученные с помощью электронной микроскопии.
Узкий спектр излучения является следствием высокого структурного совершенства всех элементов плазмон-поляритонного нанолазера. В конструкции, разработанной в Академическом университете, поверхностные плазмон-поляритоны формируются на основе одиночных полупроводниковых нитевидных нанокристаллов, расположенных на металл-диэлектрической подложке.
Такая конфигурация предъявляет жесткие требования ко всем материалам системы:
- использование атомарно-гладких слоёв металла и диэлектрика (в представленной работе удалось обеспечить шероховатость поверхностей на уровне менее 1 нм);
- «активная среда» полупроводникового материала с высоким структурным качеством и узким исходным спектром излучения.
Исследователям удалось объединить преимущества метода молекулярно-пучковой эпитаксии (обеспечивающего высокую чистоту и резкость гетерограниц), преимущества нитевидных нанокристаллов перед планарными слоями, а также преимущества «квантовых ям» InGaN в качестве активной среды. Совокупность этих факторов позволила получить узкую линию лазерной генерации.
«На воплощение проекта ушло много времени»: взгляд из лаборатории
Как рассказали научные сотрудники Лаборатории эпитаксиальных нанотехнологий Академического университета Владислав Гридчин и Талгат Шугабаев:
«На воплощение этого проекта ушло много времени. Плазмонные нанолазеры устроены сложно: они гибридные, состоят из разных частей. Чтобы их создать, нам пришлось объединить усилия сразу нескольких научных групп. Отдельный вызов — металл-диэлектрические подложки с атомарно гладкой поверхностью. Здесь мы работали в тесном сотрудничестве с зарубежными коллегами. Но результат того стоил: нам удалось достичь недетектируемого порога генерации при низких температурах — это важный шаг в развитии технологии создания плазмонных нанолазеров на основе нитевидных нанокристаллов».
Рис. 3. – Распределение интенсивности электрического поля в поперечном сечении: слева нитевидный нано кристалл в воздухе; справа ННК, размещённый на плазмонной подложке.
Работа включала три ключевых направления: синтез методом молекулярно-пучковой эпитаксии нитевидных нанокристаллов со встроенными квантовыми ямами InGaN; разработку технологии металл-диэлектрических подложек с атомарно гладкой поверхностью; комплексную характеризацию гибридной структуры с её дальнейшей оптимизацией для получения лазерного излучения.
Области применения и перспективы
Разработанные плазмонные нанолазеры могут найти применение в ряде областей, где требуется локализация света в нанометровом масштабе:
- сенсорика;
- биохимическое детектирование;
- визуализация и сверхразрешающая микроскопия;
- создание компонентов фотонных интегральных схем.
Данная работа является отправной точкой в область плазмон-поляритонных нанолазеров. Учёные уже понимают, как реализовать генерацию при комнатной температуре и какие требования критичны при создании таких устройств.
В перспективе использование нитевидных нанокристаллов на основе нитридных полупроводников открывает возможности для:
- создания нанолазеров в широком спектральном диапазоне — от «обеззараживающего» ультрафиолетового до «телекоммуникационного» инфракрасного;
- реализации электрической накачки;
- интеграции в реальные фотонные схемы.
Исследование объединило ученых Академического университета им. Ж. И. Алферова с коллегами из Санкт-Петербургского государственного университета, НИУ ВШЭ - Санкт-Петербург, СПбГЭТУ (ЛЭТИ) и МФТИ!
