Российские ученые создали мельчайший в мире лазер с синим излучением. Им удалось преодолеть дифракционный предел — фундаментальное ограничение, согласно которому размер источника не может быть меньше длины волны испускаемого света. При этом объем нового источника составляет всего 0,005 кубического микрона, что в 13 раз меньше этого показателя. Разработка открывает возможности для создания сверхчетких дисплеев с характеристиками, ранее считавшимися недостижимыми, а также может найти применение в квантовых процессорах, системах дополненной реальности и компактных сенсорах.

Самый маленький в мире лазер

Ученые университета ИТМО совместно с коллегами из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ разработали самый маленький в мире лазер с синим излучением. Открытие делает возможным создание сверхчетких дисплеев с разрешением, ранее считавшимся недостижимым даже в теории. Нанолазер также может применяться в устройствах дополненной реальности, квантовых процессорах и компактных сенсорах.

— Объем созданного нанолазера — всего 0,005 мкм³, что примерно в 13 раз меньше куба длины волны его излучения. Это рекордный показатель для синего диапазона (400–500 нм). Активный элемент лазера представляет собой микроскопический кубик из перовскита, выращенный методом химического синтеза в растворе. Его размеры — около 195 × 190 × 145 нм. Частица размещается на серебряной подложке, которая играет роль зеркала, удерживающего и усиливающего свет внутри наночастицы, — пояснил один из авторов работы, ведущий научный сотрудник и заведующий лабораторией Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Денис Баранов.

Фото: МФТИ Соавтор работы — ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Денис Баранов

Ученым удалось преодолеть дифракционный предел — фундаментальный принцип, согласно которому создать световой элемент меньше длины волны излучаемого света невозможно. Новый лазер использует уникальный механизм на основе поляритонов — гибридов света и вещества. В отличие от традиционных лазеров, ему не требуется преодолевать высокий пороговый барьер для начала генерации.

— Механизм работы устройства основан на передовой концепции поляритонных лазеров. В нем происходит сильная связь между экситонами (объединяющие свойства света и материи частицы) и светом, локализованным внутри наночастицы. Это позволяет достигать генерации без порога инверсии населенности (содержание большого количества частиц. — Ред.), что снижает энергопотребление и упрощает конструкцию. Сочетание сильного экситонного отклика перовскита, его высокого кристаллического качества и оптимизированных резонансных свойств делает нашу конструкцию нанолазера лучшей среди существующих в синем спектральном диапазоне, — пояснил ученый.

В настоящее время работа лазера продемонстрирована при низких температурах (около 80 К, или –193 °C). Следующей задачей ученых станет достижение генерации при комнатной температуре, что необходимо для коммерческого применения технологии.

Основа для новых технологий

— В нашей лаборатории уже более семи лет ведутся работы по созданию нано- и микролазеров, но разработанная технология создания таких компактных нанолазеров в синей области спектра уникальна. Нам удалось синтезировать нанолазеры в виде коллоидного раствора наночастиц в жидкости, что позволяет осаждать их на любые поверхности. Это даст возможность интегрировать их с активными матрицами для дисплеев, фотонными интегральными схемами и даже использовать для задач биовизуализации, — сказал профессор физического факультета университета ИТМО, заведующий лабораторией гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Сергей Макаров.

Разработка нового источника излучения поможет в формирования элементной базы для современной фотоники, особенно в части преодоления дифракционного предела, который десятилетиями был «кирпичной стеной» на пути миниатюризации лазеров, особенно в синей части спектра, добавил эксперт НТИ, заведующий лабораторией интегральной фотоники ПГНИУ Роман Пономарев.

— Создать нанолазер, который не только меньше длины волны света, но и стабильно работает именно в синем диапазоне, — это прорыв в области фотоники и нанотехнологий. Это доказывает, что мы научились управлять светом в столь малых масштабах, которые раньше считались недостижимыми, — уверен эксперт.

С такой оценкой разработки согласен и ведущий научный сотрудник лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Павел Гостищев. По его мнению, основным преимуществом технологии можно считать простоту производственных операций, которая позволит значительно ускорить путь от научных исследований к готовой продукции.

Развитие технологии квантовых точек на основе перовскита и применение данного материала в качестве ультракомпактных лазеров действительно способно значительно продвинуть разработки в области дисплеев нового поколения, оптических чипов и биомедицинских сенсоров, сказал Павел Гостищев.