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
197 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.
20 октября
7 минут
Василий Парфенов

Среди всех альтернатив GPS европейская навигационная система Galileo выделяется поразительной точностью позиционирования. Однако в последнее время она стала довольно часто ухудшаться. Оказывается, это связано с различными ограничениями в деятельности наземных станций из-за пандемии коронавирусной инфекции.

20 октября
4 минуты
Сергей Васильев

Глубоко в носоглотке ученые обнаружили новую — четвертую — пару крупных слюнных желез, о существовании которой ранее никто не подозревал.

Позавчера, 11:36
5 минут
Илья Ведмеденко

Разработанный для NASA космический аппарат OSIRIS-REx коснулся поверхности Бенну — небольшого околоземного астероида, входящего в группу Аполлонов. Возвращение зонда на Землю запланировано на 2023 год.

20 октября
4 минуты
Сергей Васильев

Глубоко в носоглотке ученые обнаружили новую — четвертую — пару крупных слюнных желез, о существовании которой ранее никто не подозревал.

16 октября
6 минут
Василий Парфенов

Несмотря на устоявшееся мнение, согласно которому газотурбинные двигатели (ГТД) почти достигли технологического совершенства и прироста характеристик более чем на единицы процентов в новых моделях ждать не стоит, инженеры продолжают искать способы радикально их улучшить. Компания GE Aviation уже до конца 2020 года собирается представить предсерийные экземпляры своих революционных силовых установок, которые должны быть на 20% долговечнее, на 35% экономичнее и будут иметь улучшенную на 80% энерговооруженность, чем предыдущие аналогичные модели.

19 октября
4 минуты
Ольга Иванова

Международная группа ученых сделала рентгеновские снимки грудного отдела тела муравьев, проанализировав их мышцы и внутренний скелет. В результате исследователи выяснили, что сила этих насекомых связана с потерей способности летать.

28 сентября
29 минут
Александр Березин

Сентябрь 2020 года принес в Закавказье войну — столкновение Азербайджана и Нагорного Карабаха получило большой размах, общее число жертв, судя по всему, уже перевалило за сотню, а Ереван и Баку объявили мобилизацию (в Азербайджане — частичную). Объективного смысла в войне для самих участников нет. Баку не победит, но и Армения от конфликта ничего не выиграет. Пользу конфликт, однако, объективно принесет Турции, а также тем, кто поставляет в Азербайджан оружие. Возникает вопрос: почему война оказалась возможна, несмотря на дружественную позицию России к Армении, и зачем на нее пошли в Баку? И есть ли у Еревана разумный выход из назревающей бойни?

16 октября
6 минут
Денис Гордеев

Люди со второй и четвертой группами крови с большей вероятностью переболеют Covid-19 в тяжелой форме.

20 октября
4 минуты
Сергей Васильев

Глубоко в носоглотке ученые обнаружили новую — четвертую — пару крупных слюнных желез, о существовании которой ранее никто не подозревал.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: