Несмотря на то что уже существуют субволновые нанолазеры, размеры которых меньше длины волны света по всем трем измерениям, в таких диапазонах, как ультрафиолет, красный и зеленый, однако до сих пор не был разработан аналогичный лазер в видимом синем спектре (400–500 нм). Между тем лазеры этого диапазона востребованы для современных технологий. Основная проблема заключалась в том, что такой лазер должен быть наноразмерным. Это значит, что его объем не должен превышать куба длины волны, например при длине волны 415 нм это около 0,07 мкм3. Из-за фундаментальных ограничений дифракционного предела ранее не получалось локализовать моды в наноскопических объемах без потерь эффективности.
«В предыдущих работах не удавалось синтезировать высококачественные одиночные нанокристаллы размером менее 200 нм из перовскита с формулой CsPbCl3, а также расположить их на металлической подложке. В этой работе мы в ИТМО успешно справились с задачей. Кроме того, плодотворная кооперация с физиками-теоретиками из МФТИ позволила оптимизировать форму и размер для нанокристалла, чтобы достичь от него лазерной генерации», — рассказал Сергей Макаров, д. ф.-м. н., профессор, заведующий лабораторией гибридной нанофотоники и оптоэлектроники, директор Инжинирингового центра фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО.
Физики из ИТМО синтезировали нанокубоиды из перовскита CsPbCl₃ размерами 145 × 195 × 190 нм, объем которых составил 0,005 мкм³, что примерно в 13 раз меньше куба длины волны излучения. Затем они нанесли их на специальную подложку: серебряную пленку с тонким диэлектрическим слоем (Al₂O₃), усиливающую оптические резонансы внутри кубика. Дальше они охлаждали образцы до 80 K и возбуждали их короткими лазерными импульсами, наблюдая, как спонтанное свечение переходит в лазерную генерацию.
Излучение в таком лазере происходит за счет механизма поляритонного лазирования. Он характерен для фотоактивных материалов, в которых носители электрического заряда существуют в виде связанных квазичастиц — экситонов, способных к когерентному излучению. Чтобы понять принцип работы этого механизма Денис Баранов из МФТИ построил теоретическую модель. Он рассчитал оптические моды кубика с учетом сильной связи экситонов и фотонов, приводящей к формированию гибридных частиц — поляритонов. А также показал, что лазирование происходит за счет конденсации этих поляритонов на нижнем энергетическом уровне, обеспечивая когерентное излучение.
«Такой кубик светит в довольно хитром полиртонном режиме. Это значит, что фотоны испускаются не каждым отдельным элементарным кусочком перовскита самим по себе, а коллективными состояниями среды, „размазанными” по нанокубику, — поляритонами. Нам нужно было придумать аппарат для описания такого излучения, и мы его разработали вместе с Николаем Солодовченко из ИТМО», — объяснил Денис Баранов, заведующий лабораторией передовой нанофотоники и квантовых материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
«Примечательно, что поляритонное лазирование требует гораздо меньше энергозатрат по сравнению с традиционным механизмом лазерной генерации. Поэтому нам удалось создать рекордно компактный нанолазер, который не требует сверхвысоких интенсивностей подводимой накачки для достижения его рабочего режима», — добавил Сергей Макаров.
Это самый маленький нанолазер в синем диапазоне (400–500 нм) из всех когда-либо продемонстрированных. Новый лазер в десятки раз компактнее ранее созданных аналогов и впервые преодолевает дифракционный предел во всех трех измерениях. Кроме того, он обладает низким порогом накачки — около 10 мкДж/см² при охлаждении до 80 K, что делает его перспективным для интеграции в фотонные чипы.
Пока максимальную эффективность лазер демонстрирует только при 80 K из-за диссоциации экситонов при комнатной температуре. Однако авторы полагают, что этот недостаток возможно преодолеть, если перейти к резонаторам из перовскитов с пониженной размерностью.
Разработанный нанолазер представляет огромный интерес для создания таких устройств, как сверхкомпактные источники оптического сигнала, которые могут быть востребованы для оптических вычислений на чипе. Также их можно использовать в качестве фотонных ускорителей для электронных процессоров в системах искусственного интеллекта. В дальнейшем коллектив ученых планирует продолжить разработку теоретического инструмента для описания формирования поляритонных линий в излучении нанокубика, а также заняться интеграцией разработанных источников света в фотонные интегральные схемы. Это позволит реализовать оптические вычисления на компактном чипе для широкого круга задач — от логистики до классификации данных и ускорения работы ИИ.
Статья опубликована в журнале npj Nanophotonics. В работе принимали участие ученые из Университета ИТМО, МФТИ, Сколтеха, Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН и Циндаоского центра инноваций и развития Харбинского инженерного университета (Китай).