Ученые Нового физтеха ИТМО совместно с коллегами из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ разработали самый маленький в мире лазер, излучающий свет в синем диапазоне. Его объем в 13 раз меньше, чем у длины волны излучаемого света, что открывает путь к созданию сверхчетких дисплеев нового поколения и компактных устройств для биомедицины. Результаты исследования поддержаны грантами Российского научного фонда.

^{Источник: OlgaSalt / Фотобанк Фотодженика}

Ключевой проблемой, которую удалось решить ученым, стало преодоление дифракционного предела – фундаментального физического барьера, который не позволяет обычным лазерам уменьшаться до наноразмеров, особенно в синей части спектра, критически важной для полноцветных дисплеев.

Нанолазер имеет объем всего 0,005 кубического микрона, что примерно в 13 раз меньше куба длины волны его излучения. Это рекордный показатель для синего диапазона (400-500 нанометров). Активный элемент лазера представляет собой микроскопический кубик из перовскита (CsPbCl3), выращенный методом химического синтеза в растворе. Его размеры — около 195 х 190 х 145 нанометров. Частица размещается на серебряной подложке, которая выполняет роль зеркала, помогающего удерживать и усиливать свет внутри наночастицы.

Рекордно малые размеры и работа в синем диапазоне делают разработку перспективной для ряда высокотехнологичных областей. Такие нанолазеры могут стать основой для пикселей в дисплеях следующего поколения, включая устройства дополненной реальности. Кроме того, такие источники света – ключевой элемент для создания оптических и квантовых процессоров. Также миниатюрные источники лазерного излучения могут использоваться в компактных сенсорах и системах визуализации.

«В нашей лаборатории уже более семи лет ведутся работы по созданию нано- и микролазеров, но разработанная технология создания таких компактных нанолазеров в синей области спектра уникальна. Нам удалось синтезировать нанолазеры в виде коллоидного раствора наночастиц в жидкости, что позволяет осаждать их на любые поверхности. Это даст возможность интегрировать их с активными матрицами для дисплеев, фотонными интегральными схемами и даже использовать для задач биовизуализации», – отмечает профессор физического факультета ИТМО, заведующий лабораторией гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Сергей Макаров.

Лазер использует уникальный механизм на основе гибридов света и вещества – поляритонов. В отличие от традиционных лазеров, ему не требуется преодолевать высокий "пороговый" барьер для начала генерации.

«Механизм работы устройства основан на передовой концепции поляритонных лазеров. В нем происходит сильная связь между экситонами (квазичастицами в перовските) и светом, локализованным внутри наночастицы. Это позволяет достигать генерации без порога инверсии населенности, что снижает энергопотребление и упрощает конструкцию. Сочетание сильного экситонного отклика перовскита, его высокого кристаллического качества и оптимизированных резонансных свойств делает нашу конструкцию нанолазера лучшей среди существующих в синем спектральном диапазоне», – рассказывает ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Денис Баранов.

В настоящее время работа лазера продемонстрирована при низких температурах (около 80 К или -193 °C). Следующей задачей ученых станет достижение комнатнотемпературной генерации, что необходимо для коммерческого применения технологии.