Ученые Санкт-Петербургского государственного университета совместно с российскими и зарубежными коллегами разработали нанолазер на основе нитридных нитевидных нанокристаллов InGaN. Ширина полосы излучения 0,15 нм и малые размеры самого прибора делают его перспективным для сенсорики, микроскопии, зондирования и проведения измерений на чипах. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в научном журнале Nanoscale Horizons.
Схематичное изображение плазмон-поляритонного нанолазера. Предоставлено Талгатом Шугабаевым
В плазмон-поляритонных нанолазерах часто используют полупроводниковые нитевидные нанокристаллы. Благодаря этому один из ключевых размеров всего устройства не превышает нескольких сотен нанометров.
Для классических лазеров, которые лежат в основе указок, сканеров и станков, существует принципиальное ограничение — дифракционный предел. Он не позволяет сжать свет в пятно меньше половины длины волны. Именно поэтому такие устройства не могут конкурировать с нанолазерами по миниатюрности, обычно их размер составляет от единиц микрометров до нескольких миллиметров.
Дифракционный предел — это барьер, за которым прячется целый мир нанообъектов: вирусы, одиночные белки, мелкие наночастицы. Обычный лазер или микроскоп просто не распознают настолько мелкие «песчинки». Чтобы обойти это ограничение, в плазмон-поляритонных нанолазерах (спасерах) используют «гибрид» света и электронных колебаний (поверхностные плазмон-поляритоны), который позволяет концентрировать энергию в объемах, значительно меньших дифракционного предела.
Подобные устройства с узкой полосой излучения необходимы для проведения высокоточного зондирования (например, обнаружения единичных молекул или наночастиц в биологических и химических средах), квантовой обработки информации, а также для микроскопических исследований со сверхвысоким разрешением.
Ученые Санкт-Петербургского государственного университета вместе с коллегами из других научных организаций создали лазер с поперечным размером около 60 нм и полосой излучения порядка 0,15 нм — это в 5−10 раз меньше, чем в обычных полупроводниковых лазерах. Такая конструкция требует очень качественных материалов: поверхности должны быть идеально гладкими, а активная среда — давать крайне однородный сигнал без лишних примесей в спектре.
«В нашей конфигурации плазмон-поляритоны формируются в системе одиночных нитевидных нанокристаллов, расположенных на металл‑диэлектрической подложке. Мы объединили преимущества молекулярно-пучковой эпитаксии, нитевидных нанокристаллов и квантовых ям InGaN, что и позволило достичь полученных результатов», — рассказал участник исследования, младший научный сотрудник лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ Талгат Шугабаев.
По словам исследователей, нитевидные нанокристаллы на основе нитридных полупроводников открывают возможности для создания нанолазеров в широком спектральном диапазоне: от «обеззараживающего» ультрафиолетового до «телекоммуникационного» инфракрасного. Сейчас ученые занимаются повышением рабочей температуры такого устройства и переходом от оптической накачки к электрической — заменой внешнего оптического возбуждения на прямое преобразование электроэнергии в генерацию излучения.
В дальнейшем эта разработка может найти применение в областях, где требуется локализация света в нанометровом масштабе. Например, для сенсорики, биохимического детектирования, сверхразрешающей микроскопии, а также для создания компонентов фотонных интегральных схем.
В исследовании приняла участие группа российских ученых Санкт‑Петербургского государственного университета, Алферовского университета, НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург, СПбГЭТУ (ЛЭТИ) и МФТИ, а также исследователи из других стран.
Информация и фото предоставлены пресс-службой СПбГУ
