Технология дешевле существующих решений, так как перовскитные кристаллы легко выращиваются прямо из раствора. В перспективе такие компактные источники лазерного света могут применяться в оптических чипах, сенсорах и квантовых устройствах, сообщили в пресс-службе ИТМО.
Чтобы лазеры работали, их рабочий материал (обычно полупроводниковый кристалл) сначала нужно накачать энергией извне — только тогда они начнут генерировать направленный свет. Обычно для этого используют другой лазер или мощную лампу-вспышку. Поэтому рядом с устройствами приходится размещать дополнительный источник энергии и систему питания, из-за чего итоговая конструкция получается громоздкой.
Чтобы отказаться от внешних источников и сделать лазеры наиболее компактными для их интеграции на чипе, ученые давно стремились перейти на электрическую накачку — то есть подавать ток прямо в устройство, как в обычном светодиоде. Один из самых перспективных материалов для решения этой задачи — перовскиты, искусственные кристаллы, которые эффективно конвертируют ток в свет. Однако создать такой лазер непросто: в том числе потому, что под действием тока и при контакте с металлическими электродами кристаллы перовскита быстро разрушаются — они плохо отводят тепло и перегреваются.
Решая проблему перегрева и разрушения кристаллов, команда ученых из ИТМО, Сколтеха и ВШЭ заменила металлические электроды одностенными углеродными нанотрубками. Этот материал не разрушает перовскит, когда ток проходит через сам кристалл. Рабочий элемент лазера — перовскитный пластинчатый микрокристалл — вырастили прямо из химического раствора методом контролируемой кристаллизации, при которой материал формируется постепенно, по мере испарения жидкости. Такой способ гораздо проще и дешевле послойного нанесения материалов в вакуумных камерах, которое обычно применяют в производстве подобных устройств.
Выращенный кристалл поместили между двумя брэгговскими зеркалами: зеркала удерживают свет внутри и заставляют его многократно проходить через кристалл ― за счет этого свет усиливается перед выходом наружу. Такая схема позволила реализовать принцип, в корне отличающийся от привычных лазеров. Между двумя параллельными зеркалами свет многократно отражается и удерживается в ограниченном объеме, где эффективно взаимодействует с перовскитом. Происходят последовательные превращения: свет переходит в электронные возбуждения кристалла и обратно.
Так рождаются поляритоны — частицы, обладающие одновременно свойствами света и вещества. Они начинают сильно взаимодействовать друг с другом и при этом обладают очень малой массой. Это делает возможным переход перовскитного устройства в режим конденсации Бозе — Эйнштейна. В этом особом состоянии множество поляритонов начинают вести себя как единое целое — именно такой принцип лежит в основе работы поляритонных лазеров.
В ходе лабораторных испытаний порог лазерной генерации в устройстве был достигнут при постоянном токе всего 60 микроампер. До этого эксперимента прямое электрическое возбуждение перовскитного лазера оставалось нерешенной задачей в научной среде.
Поскольку такие кристаллы можно выращивать прямо из раствора, не используя сложное и дорогое оборудование, в перспективе подобные устройства будет проще и дешевле изготавливать массово.
Пока устройство может работать только в охлаждающей камере при экстремально низкой температуре около –265 °C. Необходимость охлаждать прибор до таких значений сильно ограничивает возможности его применения на практике. В перспективе исследователи рассчитывают добиться стабильной работы лазера при комнатной температуре. Для этого им необходимо улучшить отвод тепла от кристалла и повысить устойчивость материалов, чтобы они не разрушались при длительной работе. Если эти задачи удастся решить, лазеры нового типа можно будет размещать прямо на микрочипах и использовать в портативной электронике.
Кроме того, ученые планируют перейти от одиночного излучающего элемента к целым массивам — наборам из множества таких лазеров, взаимодействующих друг с другом. Это позволит создавать более сложные оптические системы, где световыми сигналами можно гибко управлять прямо на кристалле.
