Сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета в соавторстве с российскими и международными учеными создали нанолазер, основу которого составляют нитевидные нанокристаллы из нитрида индия-галия (InGaN). Благодаря ширине полосы излучения в 0,15 нм и небольшим габаритам, прибор обладает потенциалом для применения в сенсорике, микроскопии, зондировании и измерениях на микросхемах. Исследование, которое было поддержано грантом РНФ, опубликованы в научном журнале Nanoscale Horizons.
В плазмон-поляритонных нанолазерах обычно применяются полупроводниковые нанопроволоки. Это позволяет сделать один из основных параметров устройства не больше нескольких сотен нанометров.
Дифракционный предел представляет собой фундаментальное ограничение для классических лазеров, применяемых в указках, сканерах и станках. Это явление препятствует уменьшению размера светового пятна до величины, меньшей половины длины волны. В связи с этим, такие устройства уступают нанолазерам в габаритах, обычно их размеры варьируются от нескольких микрометров до нескольких миллиметров.
Дифракционный предел представляет собой ограничение, которое скрывает от нас мир нанообъектов, таких как вирусы, отдельные белки и небольшие наночастицы. Традиционные лазеры или микроскопы не способны идентифицировать такие крошечные структуры. Для преодоления этого барьера плазмон-поляритонные нанолазеры используют сочетание света и электронных колебаний (поверхностные плазмон-поляритоны), что позволяет фокусировать энергию в пространствах, размеры которых существенно меньше дифракционного предела.
Для выполнения высокоточного зондирования, такого как обнаружение отдельных молекул или наночастиц в биологических и химических средах, а также для квантовых вычислений и микроскопических исследований с исключительным разрешением, требуются устройства, генерирующие узконаправленный пучок излучения.
Специалисты из Санкт-Петербургского государственного университета в сотрудничестве с другими научными учреждениями разработали лазер с поперечными размерами примерно 60 нм и шириной полосы излучения около 0,15 нм. Это значение в 5–10 раз меньше, чем у стандартных полупроводниковых лазеров. Для реализации подобной конструкции необходимы материалы высочайшего качества: поверхности должны быть безупречно ровными, а активная среда – генерировать исключительно однородный сигнал, свободный от нежелательных примесей в спектре.
«В создаваемой нами структуре плазмон-поляритоны возникают в слое из отдельных нитевидных нанокристаллов, размещенных на металлической подложке с диэлектрическим покрытием. Сочетание молекулярно-пучковой эпитаксии, нитевидных нанокристаллов и квантовых ям из арсенида галлия и индия обеспечило возможность получения заявленных результатов», — сообщил участник исследования, младший научный сотрудник лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ Талгат Шугабаев.
Нитовидные нанокристаллы, созданные на основе нитридных полупроводников, по мнению ученых, позволяют разрабатывать нанолазеры, работающие в широком спектре, охватывающем ультрафиолетовое излучение, используемое для обеззараживания, и инфракрасное, применяемое в телекоммуникациях. В настоящее время исследователи сосредоточены на увеличении рабочей температуры этих устройств и замене оптической накачки на электрическую, что предполагает отказ от внешнего оптического возбуждения в пользу прямого преобразования электроэнергии в излучение.
В перспективе данная разработка может оказаться полезной в тех сферах, где необходима фокусировка света с нанометровой точностью. К таким областям относятся сенсорные технологии, биохимический анализ, микроскопия с разрешением выше дифракционного предела, а также производство элементов для фотонных интегральных схем.
В работе над исследованием участвовали ученые из различных российских учреждений, включая Санкт-Петербургский государственный университет, Алферовский университет, НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург, СПбГЭТУ (ЛЭТИ) и МФТИ, а также зарубежные коллеги.
Информация и фото предоставлены пресс-службой СПбГУ