Физики укротили недоступное излучение — Naked Science
9 минут
ФизТех

Физики укротили недоступное излучение

5.2

Ученым из Московского физико-технического института и Института физики микроструктур РАН удалось решить проблему генерации лазерного излучения дальнего инфракрасного диапазона в полупроводниковых структурах. Ключом к ее решению было использование квантовых ям теллурида кадмия-ртути. Эти соединения были давно известны в фотонике и электронике, однако их ключевая особенность для лазерных приложений оставалась нераскрытой.

Процесс оже-рекомбинации / ©Дизайнер Дарья Сокол / Пресс-служба МФТИ

Работа опубликована в журнале ACS Photonics.

В полупроводниковом диодном лазере излучение возникает при взаимном уничтожении электронов проводимости и дырок — вакантных мест на заполненных электронных орбиталях. Этот процесс называется излучательной рекомбинацией. Однако излучение света при рекомбинации электрона и дырки не является единственно возможным исходом. Наряду с испусканием фотона высвобождающаяся энергия может уйти на раскачку колебаний решетки кристалла.

Но наиболее критическим процессом рекомбинации является такой, где энергия электрон-дырочной пары тут же уходит на нагрев других электронов, вместо полезной генерации света. Такой процесс «растраты» электрон-дырочных пар в тепло называют оже-рекомбинацией — в честь французского физика Пьера Оже, впервые изучившего этот эффект.

Скорость губительного оже-процесса драматически возрастает в полупроводниках с малым энергетическим расстоянием между уровнями электронов и дырок (говоря научными терминами, с малой шириной запрещенной зоны). Можно сказать, чем ближе друг к другу электрон и дырка (по шкале энергий), тем сильнее их желание ко взаимной аннигиляции с выделением тепла. Однако полупроводники именно с малой шириной запрещенной зоны требуются для создания лазеров дальнего инфракрасного диапазона, излучающих на длинах волн в десятки микрон. И именно эти лазеры востребованы в исследованиях биологических объектов и задачах газовой спектроскопии.

Усиление безызлучательной оже-рекомбинации и снижение эффективности полупроводникового лазера с ростом длины волны, однако, не являются законами природы, а следуют лишь из нашего опыта. Нет фундаментального запрета на создание полупроводниковой структуры, излучающей в дальнем инфракрасном диапазоне и не подверженной оже-процессу.

Более того, требования к спектру электронов и дырок, обеспечивающему полный запрет безызлучательной рекомбинации, известны с работ Поля Дирака об электронах и позитронах. А именно, электроны и дырки должны обладать одинаковой массой при малых энергиях и вести себя подобно безмассовым частицам — при больших. Но все попытки воплотить эти идеи в реальном материале до сих пор терпели неудачу.

Исследователи из МФТИ и Института физики микроструктур РАН в Нижнем Новгороде обнаружили, что необходимыми для лазерных приложений свойствами электроны и дырки обладают в квантовых ямах теллурида кадмия-ртути. Этот материал имеет долгую историю: он уже более полувека используется для создания тепловизоров, а около десяти лет назад он вызвал бум в топологической физике из-за особых свойств электронов на его краях.

«Долгое время лазерные перспективы теллурида кадмия-ртути не вызывали большого энтузиазма, а на “дираковскую” форму электрон-дырочного спектра никто не обращал внимания. Физики-лазерщики ХХ века работали с широкими квантовыми ямами с большим содержанием кадмия — это далеко не оптимальный состав, по нашим расчетам, — поэтому желаемое явление не было открыто. Когда технология XXI века позволила выращивать узкие квантовые ямы, то область заполнили физики-топологи, внимание которых было приковано к краевым электронам.

То, что творится в плоскости ямы, а не на ее краю, оставалось без должного внимания. И лишь нашей группе удалось обнаружить желаемое подавление оже-рекомбинации в узких квантовых ямах», — рассказывает Дмитрий Свинцов, соавтор исследования, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ.

Эксперименты на квантовых ямах теллурида ртути, выращенных в Институте физики полупроводников РАН (г. Новосибирск), уже подтвердили возможность лазерной генерации с длиной волны до 20 микрон. А выполненные в работе расчеты «остаточных» рекомбинационных процессов показывают, что это не предел, и длину волны излучения можно повысить до 50 микрон. Диапазон длин волн от 30 до 50 микрон является наиболее «запретным» для существующих полупроводниковых лазеров на основе элементов III и V групп таблицы Менделеева из-за сильного самопоглощения.

Но и этот негативный эффект — как и оже-рекомбинация — сильно ослаблен в теллуриде ртути, на этот раз из-за большой массы атомов, составляющих кристаллическую решетку. Таким образом, у изучаемых квантовых ям есть все перспективы закрыть последние «белые пятна» на шкале электромагнитных излучений.

«Естественно, в сфере лазерной техники у квантовых ям теллурида ртути есть конкуренты. Наиболее серьезными являются квантовые каскадные лазеры на основе арсенида галлия. Они не используют электрон-дырочной рекомбинации, а основаны на исключительно электронных переходах. Такая “смена парадигмы” требует очень сложной конструкции лазера и, как следствие, огромной цены — один каскадный лазер стоит более 6 тысяч долларов. Теллурид ртути позволяет продлить работоспособность устоявшейся, предельно простой и дешевой конструкции лазерного диода вплоть до дальнего инфракрасного диапазона», — добавляет Дмитрий Свинцов.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
212 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
28 февраля
75 минут
Редакция

Наверное, еще с того момента, как первые наши прапрапредки обрели сознание, человек боялся смерти и искал пути ее предотвратить или отсрочить. Древний человек жаждал утешения в представлениях о загробном мире, позже алхимики пытались изобрести зелья, которые помогли бы достичь бессмертия. С развитием науки ученые стремились понять, как работает наша смертность на клеточном уровне и еще глубже – и можно ли серьезно изменить отмеренный человеку век. Именно о теломерах часто говорят как о некоем секрете долголетия, том самом волшебном рычаге в ДНК, который может прибавить один-два десятка лет к нашей жизни. Так ли это?

Сегодня, 08:54
8 минут
Мария Азарова

Хотите увидеть ожившего Шекспира или подмигивающую вам госпожу Лизу дель Джокондо? С немного пугающей всех нас технологией deepfake это можно сделать всего за пару минут.

28 февраля
4 минуты
Мария Азарова

Айсберг по своим размерам почти в два раза превышает площадь Нью-Йорка. Хотя рекордсменом его и не назовешь (летом 2017 года от ледника Ларсена откололся действительно гигантский айсберг A68), ученые планируют продолжать наблюдения.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

23 февраля
4 минуты
Виктория Сафронова

Звук — шум от передвижения марсохода — записан одним из его микрофонов.

24 февраля
10 минут
Мария Азарова

Ученые провели анализ по 353 профессиям и оценили, насколько различия в статусе потребления алкоголя можно объяснить родом занятий.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

2 февраля
44 минуты
Александр Березин

В научном журнале The Lancet появились итоги клинических испытаний «Спутника-V», и на первый взгляд эта публикация — триумф. Российская вакцина показала эффективность выше, чем у Pfizer и Moderna. Увы, на этом хорошие новости закончились. Плохих две.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: