Un equipo internacional de investigadores ha anunciado el desarrollo del láser semiconductor más compacto del mundo que funciona en el rango visible a temperatura ambiente. Según los autores de la investigación, el láser es una nanopartícula de solo 310 nanómetros de tamaño (que son 3, 000 veces menos de un milímetro) que puede producir luz verde coherente a temperatura ambiente. El artículo de investigación fue publicado en ACS Nano .

Hace sesenta años a mediados de mayo, El físico estadounidense Theodor Maiman demostró el funcionamiento del primer generador cuántico óptico:un láser. Ahora, un equipo internacional de científicos, la mayoría de los cuales son de la Universidad ITMO, informa que han demostrado experimentalmente el láser semiconductor más compacto del mundo que opera en el rango visible a temperatura ambiente. Esto significa que la luz verde coherente que produce puede registrarse fácilmente e incluso verse a simple vista utilizando un microscopio óptico estándar.

Los científicos lograron explotar la parte verde de la banda visible, que se consideró problemático para los nanoláseres. "En el campo moderno de los semiconductores emisores de luz, existe el problema de la 'brecha verde', "dice Sergey Makarov, investigador principal del artículo y profesor de la Facultad de Física e Ingeniería de la Universidad ITMO. "La brecha verde significa que la eficiencia cuántica de los materiales semiconductores convencionales utilizados para los diodos emisores de luz cae drásticamente en la parte verde del espectro. Este problema complica el desarrollo de nanoláseres a temperatura ambiente hechos de materiales semiconductores convencionales".

El equipo eligió perovskita de haluro como material para sus nanoláseres. Un láser tradicional consta de dos elementos clave:un medio activo que permite la generación de emisión estimulada coherente y un resonador óptico que ayuda a confinar la energía electromagnética en el interior durante mucho tiempo. La perovskita puede proporcionar estas dos propiedades:una nanopartícula de cierta forma puede actuar como medio activo y como resonador eficiente.

Como resultado, los científicos lograron fabricar una partícula de forma cúbica de 310 nanómetros de tamaño, que puede generar radiación láser a temperatura ambiente cuando es fotoexcitada por un pulso de láser de femtosegundos.

"Usamos pulsos de láser de femtosegundos para bombear los nanoláseres, "dice Ekaterina Tiguntseva, un investigador junior en la Universidad ITMO y uno de los coautores del artículo. "Irradiamos nanopartículas aisladas hasta que alcanzamos el umbral de generación de láser a una intensidad de bomba específica. Después de eso, la nanopartícula comienza a funcionar como un láser típico. Demostramos que un nanoláser de este tipo puede funcionar durante al menos un millón de ciclos de excitación ".

La singularidad del nanoláser desarrollado no se limita a su pequeño tamaño. El novedoso diseño de nanopartículas permite un confinamiento eficiente de la energía de emisión estimulada para proporcionar una amplificación suficientemente alta de los campos electromagnéticos para la generación de láser.

"La idea es que la generación de láser es un proceso de umbral, "explica Kirill Koshelev, un investigador junior en la Universidad ITMO y uno de los coautores del artículo. "Se excita la nanopartícula con un pulso láser, y a una intensidad de 'umbral' específica de la fuente externa, la partícula comienza a generar emisión láser. Si no puede confinar la luz al interior lo suficientemente bien, no habrá emisión de láser. En los experimentos anteriores con otros materiales y sistemas, pero ideas similares, se demostró que se pueden utilizar resonancias Mie de cuarto o quinto orden, es decir, resonancias en las que la longitud de onda de la luz dentro del material se ajusta al volumen del resonador cuatro o cinco veces a la frecuencia de generación del láser. Hemos demostrado que nuestra partícula admite una resonancia Mie de tercer orden, que nunca se ha hecho antes. En otras palabras, podemos producir una emisión estimulada coherente en las condiciones en las que el tamaño del resonador es igual a tres longitudes de onda de luz dentro del material ".

Notablemente, No es necesario aplicar presión externa o una temperatura muy baja para que la nanopartícula funcione como un láser. Todos los efectos descritos en la investigación se produjeron a una presión atmosférica y temperatura ambiente regulares. Esto hace que la tecnología sea atractiva para los especialistas que se centran en la creación de chips ópticos, sensores y otros dispositivos que utilizan la luz para transferir y procesar información, incluidos chips para ordenadores ópticos.

El beneficio de los láseres que funcionan en el rango visible es que, con todas las demás propiedades iguales, son más pequeñas que las fuentes rojas e infrarrojas con las mismas propiedades. Cosa es, el volumen de los láseres pequeños generalmente tiene una dependencia cúbica de la longitud de onda de la emisión, y como la longitud de onda de la luz verde es tres veces menor que la de la luz infrarroja, el límite de miniaturización es mucho mayor para los láseres verdes. Esto es esencial para la producción de componentes ultracompactos para los futuros sistemas informáticos ópticos.