Разработка позволит создать новое поколение оптических микроскопов для изучения отдельных биологических молекул, а также найдет применение в электронике и коммуникациях, уверены ученые.
В традиционных полупроводниковых лазерах рабочим телом является кристалл полупроводника. Освещение такого кристалла светом приводит к коллективному возбуждению электронов в атомах кристаллической решетки (повышению их энергии), которую они затем "отдают" в виде световых волн, коллективно переходя вновь в невозбужденное состояние.
Миниатюризация таких лазеров имеет предел, обусловленный способностью световых волн к дифракции – огибанию препятствий, размер которых составляет половину длины световой волны.
Таким образом, возбудить электроны в полупроводниковом кристалле, имеющим размеры меньше нескольких сотен нанометров невозможно.
Основной деталью новой разработки является использование так называемых поверхностных плазмонов – коллективных колебаний электронов на поверхности металлов – способных испускать энергию своих колебаний в виде световых волн.
Такие колебания можно возбудить даже на поверхности наночастиц металлов и тем самым получить источник лазерного излучения, многократно меньший по размерам чем длина испускаемого им света.
Однако использовать плазмоны для генерации лазерного излучения очень сложно, так как возбуждающиеся под действием световых волн колебания электронов очень быстро затухают и рассеиваются, отдавая свою энергию атомам кристаллической решетки металлов.
Авторы разработки – команда ученых под руководством профессора Сяна Чжана из Калифорнийского университета в Беркли использовала гибридную конструкцию с применением полупроводникового кристалла в качестве источника света для возбуждения плазмонов на поверхности серебра.
В их конструкции поверхность металла отделена от полупроводника прозрачной и не проводящей электричество прослойкой из фторида магния толщиной всего 5 нанометров.
Освещение полупроводникового кристалла светом с длиной волны 408 нанометров (фиолетовый свет) приводит к испусканию им лазерного излучения с длиной волны 489 нанметров (сине-зеленый свет) которое в дальнейшем усиливается с помощью плазмонов на поверхности серебра и распространяется в объеме прослойки из фторида магния, служащей для них волноводом.
Таким образом ученым удалось добиться создания источника света размером всего 5 нанометров.
Такой маленький источник света позволяет обойти явление дифракции, а потому может быть применен в оптических микроскопах нового поколения, с помощью которых станет возможным изучать такие маленькие объекты, как отдельные биологические молекулы.
Кроме того, подобный источник лазерного излучения может стать основным компонентом вычислительных машин и устройств телекоммуникации, использующих световые волны и нанофотонные схемы манипуляции отдельными квантами света вместо электронов и полупроводниковых микросхем.
Такие устройства будут намного экономичнее и эффективнее современной электроники.
"Особенно важно подчеркнуть, что этот гибридный плазмонный лазер, который мы продемонстрировали, является твердотельным и может быть построен на основе широко используемых технологий микроэлектроники, а потому его легко интегрировать в любые фотонные микросхемы", – сказал Волкер Соргер, аспирант в лаборатории Чжана.
Главные темы