ابتكر الفيزيائيون الروس أصغر ليزر في النطاق الأزرق

على الرغم من وجود الليزر النانوي ذو الطول الموجي بالفعل، وهو أصغر من الطول الموجي للضوء في جميع الأبعاد الثلاثة، في النطاقات فوق البنفسجية والأحمر والأخضر، إلا أنه لم يتم تطوير ليزر مماثل في الطيف الأزرق المرئي (400-500 نانومتر). وفي الوقت نفسه، هناك طلب على أجهزة الليزر في هذا النطاق من أجل التقنيات الحديثة. كانت المشكلة الرئيسية هي أن مثل هذا الليزر يجب أن يكون بحجم النانو. وهذا يعني أن حجمه يجب ألا يتجاوز مكعب الطول الموجي، على سبيل المثال، عند طول موجة 415 نانومتر يكون حوالي 0.07 ميكرومتر3. نظرًا للقيود الأساسية لحد الحيود، كان من المستحيل في السابق تحديد الأوضاع في الأحجام النانوية دون فقدان الكفاءة. “لقد فشل العمل السابق في تصنيع بلورات نانوية مفردة عالية الجودة أصغر من 200 نانومتر من البيروفسكايت بالصيغة CsPbCl3، وأيضًا في وضعها على ركيزة معدنية. في هذا العمل، أكملنا في ITMO المهمة بنجاح. بالإضافة إلى ذلك، أتاح التعاون المثمر مع علماء الفيزياء النظرية من MIPT تحسين شكل وحجم البلورة النانوية من أجل تحقيق توليد الليزر منها،” قال سيرجي ماكاروف. دكتوراه. دكتوراه، أستاذ ورئيس مختبر الضوئيات النانوية الهجينة والإلكترونيات الضوئية، ومدير المركز الهندسي للضوئيات والإلكترونيات الضوئية بجامعة ITMO. قام فيزيائيون من ITMO بتصنيع مكعبات نانوية من CsPbCl₃ perovskite بأبعاد 145 × 195 × 190 نانومتر، وكان حجمها 0.005 ميكرومتر مكعب، وهو ما يقرب من 13 مرة أقل من مكعب الطول الموجي للإشعاع. ثم قاموا بإيداعها على ركيزة خاصة: طبقة فضية ذات طبقة عازلة رقيقة (Al₂O₃) تعمل على تعزيز الرنين البصري داخل المكعب. بعد ذلك، قاموا بتبريد العينات إلى درجة حرارة 80 كلفن وإثارةها بنبضات ليزر قصيرة، ولاحظوا كيف تحول التوهج التلقائي إلى ليزر. يحدث الإشعاع في مثل هذا الليزر بسبب آلية ليزر البولاريتون. إنها سمة من سمات المواد النشطة ضوئيًا التي توجد فيها حاملات الشحنة الكهربائية على شكل أشباه جسيمات مقيدة – الإكسيتونات – قادرة على إصدار انبعاث متماسك. لفهم مبدأ تشغيل هذه الآلية، قام دينيس بارانوف من MIPT ببناء نموذج نظري. قام بحساب الأنماط البصرية للمكعب مع الأخذ في الاعتبار الاقتران القوي بين الإكسيتونات والفوتونات، مما يؤدي إلى تكوين جسيمات هجينة – بولاريتونات. وأظهر أيضًا أن الليزر يحدث بسبب تكثيف هذه البولاريتونات عند مستوى طاقة أقل، مما يوفر إشعاعًا متماسكًا. “مثل هذا المكعب يضيء في وضع بوليرتون صعب إلى حد ما. وهذا يعني أن الفوتونات تنبعث ليس من كل قطعة أولية فردية من البيروفسكايت في حد ذاتها، ولكن من خلال الحالات الجماعية للوسط “الملطخ” عبر المكعب النانوي – البولاريتونات. وأوضح دينيس بارانوف، رئيس مختبر الفوتونيات النانوية المتقدمة والمواد الكمومية في جامعة كاليفورنيا. مركز الضوئيات والمواد ثنائية الأبعاد في MIPT. وأضاف سيرجي ماكاروف: “من الجدير بالذكر أن ليزر البولاريتون يتطلب طاقة أقل بكثير مقارنة بآلية توليد الليزر التقليدية. لذلك، تمكنا من إنشاء ليزر نانوي مدمج لا يتطلب كثافة ضخ عالية للغاية لتحقيق وضع التشغيل الخاص به”. هذا هو أصغر ليزر نانوي في النطاق الأزرق (400-500 نانومتر) تم عرضه على الإطلاق. يعد الليزر الجديد أكثر إحكاما بعشرات المرات من نظائره التي تم إنشاؤها سابقًا، ولأول مرة يتغلب على حد الحيود في جميع الأبعاد الثلاثة. بالإضافة إلى ذلك، فهي تتمتع بعتبة ضخ منخفضة تبلغ حوالي 10 ميكروجول/سم² عند تبريدها إلى 80 كلفن، مما يجعلها واعدة للتكامل في الرقائق الضوئية. حتى الآن، يُظهر الليزر أقصى قدر من الكفاءة فقط عند 80 كلفن بسبب تفكك الإكسيتونات في درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك، يعتقد المؤلفون أنه يمكن التغلب على هذا العيب بالانتقال إلى رنانات البيروفسكايت ذات الأبعاد المخفضة. يعد الليزر النانوي المطور ذو أهمية كبيرة لإنشاء أجهزة مثل مصادر الإشارات الضوئية فائقة الصغر، والتي قد تكون مطلوبة للحوسبة الضوئية على الشريحة. ويمكن استخدامها أيضًا كمسرعات ضوئية للمعالجات الإلكترونية في أنظمة الذكاء الاصطناعي. في المستقبل، يخطط فريق العلماء لمواصلة تطوير أداة نظرية لوصف تكوين خطوط البولاريتون في إشعاع المكعب النانوي، وكذلك دمج مصادر الضوء المطورة في الدوائر المتكاملة الضوئية. سيسمح ذلك بتنفيذ الحوسبة الضوئية على شريحة مدمجة لمجموعة واسعة من المهام، بدءًا من الخدمات اللوجستية ووصولاً إلى تصنيف البيانات وتسريع الذكاء الاصطناعي. تم نشر المقال في مجلة npj Nanophotonics. شارك في العمل علماء من جامعة ITMO، MIPT، Skoltech، معهد الفيزياء التقنية. AF Ioffe RAS ومركز تشينغداو للابتكار والتطوير بجامعة هاربين الهندسية (الصين).