Физики укротили недоступное излучение
30 января
9 минут
ФизТех
12694

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
147 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.
Позавчера, 11:32
4 минуты
Полина Гершберг

Ученые из Великобритании смогли разобраться, что происходит в первые мгновения после контакта двух капель воды, и показали этот процесс на видео.

Позавчера, 14:18
8 минут
Мария Азарова

На фоне распространения Covid-19 за пределами Китая глава Всемирной организации здравоохранения заявил, что называть вспышку коронавируса, число зараженных которым приближается к 82 тысячам, пандемией все еще не рекомендуется, однако мир должен быть готовым к такому варианту развития событий.

Позавчера, 12:15
5 минут
Сергей Васильев

Вопреки установившейся гипотезе, извержение супервулкана Тоба около 74 тысяч лет назад вряд ли стало катастрофой для молодого человечества.

Позавчера, 11:32
4 минуты
Полина Гершберг

Ученые из Великобритании смогли разобраться, что происходит в первые мгновения после контакта двух капель воды, и показали этот процесс на видео.

25 февраля
52 минуты
Александр Березин

На днях парламент Эстонии принял резолюцию, где указал на «роль Советского Союза в качестве одного из основных зачинщиков Второй мировой войны». Ранее президент Украины Владимир Зеленский заявил, что СССР виновен в развязывании Второй мировой. До того ведущий польский политик Ярослав Качиньский поставил СССР и Германию на одну доску в вопросе ответственности за начало мировой войны. Бывший президент Украины Кравчук даже заявил, что 17 октября 1939 года Сталин и Гитлер встречались во Львове, что зафиксировано документально. Разберемся, так ли это.

24 февраля
4 минуты
Мария Азарова

Власти КНР сообщили, что повторные анализы 195 выздоровевших пациентов вновь показали наличие инфекции.

11 февраля
4 минуты
Сергей Васильев

Экспериментальные данные указали на виды физических нагрузок, которые стимулируют нейропластичность мозга.

12 февраля
36 минут
Александр Березин

Сегодняшние удары турецкой армии в Сирии производят несколько шокирующее впечатление, но только до тех пор, пока мы не обратимся к истории. Напомним: главу Турции не так давно пытались ликвидировать в заговоре, поддерживаемом ЦРУ. И только информация из России позволила ему в последний момент спастись. У Анкары нет ни одного настоящего союзника на Западе. Фактически у нее вообще один заметный союзник: Москва. В этой ситуации Эрдоган внезапно бьет по сирийцам — другому партнеру России. Что это? Новый «удар в спину», как по Су-24 в 2015 году? Или как по Севастополю в 1914 году? Лавры Османской империи не дают покоя и тянут турок к внешнеполитическому самоубийству? Попробуем с точки зрения истории разобраться, зачем Турция сегодня, как и сто лет назад, принимает столь странные решения — и почему, на самом деле, они логичны.

13 февраля
5 минут
Полина Гершберг

Олигосахарид под названием 2’-фукозиллактоза оказался критически важным для когнитивных способностей детей.

[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: