Группа ученых из Сколковского института науки и технологий (Сколтех) совместно с коллегами из Университета ИТМО и НИУ ВШЭ представила работающий прототип поляритонного лазера с прямой электрической накачкой. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Обычные полупроводниковые лазеры, которые используются в лазерных указках, принтерах или оптоволоконной связи, требуют сложного и дорогого производства. Кристаллы для них выращивают слой за слоем на твердой поверхности — это трудоемко и затратно. Ученые предложили альтернативу: использовать материалы, которые можно получать из раствора, как соль в воде. Это дешевле и проще. Однако до сих пор такие материалы не подходили для лазеров с электрическим питанием — при высокой нагрузке они перегревались и разрушались.
Команда ученых применила особый подход. Вместо того чтобы заставлять материал работать как обычный лазер, они использовали так называемые экситон-поляритоны — гибридные частицы, которые возникают при взаимодействии света и возбуждений в кристалле. Эти частицы могут объединяться в единое когерентное состояние и испускать лазерный луч при гораздо меньших затратах энергии. Устройство представляет собой микрокристалл из перовскита с электродами из углеродных нанотрубок. Чтобы избежать разрушения кристалла, исследователи применили специальное охлаждение, которое позволило «заморозить» внутреннюю структуру материала в нужном состоянии. В результате лазер заработал от постоянного электрического тока при пороговом значении всего 60 микроампер — это чрезвычайно малая величина.
Главное преимущество новой разработки — простота изготовления. Вместо дорогостоящего оборудования для выращивания кристаллов можно использовать химические растворы. Новые лазеры потребляют мало энергии и почти не нагреваются. Это открывает перспективы в нескольких областях: создание компактных и дешевых оптических датчиков, разработка быстрых оптических соединений для компьютеров, создание энергоэффективных нейроморфных процессоров, которые работают по принципу мозга, а также построение оптических логических схем нового поколения.
По словам авторов работы, им удалось решить проблему, над которой специалисты в области оптоэлектроники бились около 60 лет. Предложенный ими метод сочетает фундаментальную физику с практическим инженерным решением и может стать основой для целого класса новых устройств.
Читайте также: После 100 лет наблюдений ученые нашли ключ к разгадке переменной яркости Бетельгейзе.