Российские ученые создали рекордно компактный нанолазер синего диапазона

Международный коллектив ученых, включающий специалистов из Университета ИТМО, МФТИ, Сколтеха, Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН и китайского Харбинского инженерного университета, достиг значимого результата в области нанофотоники. Им удалось создать лазер, работающий в синем диапазоне видимого света с длинами волн от 400 до 500 нанометров, который по своим габаритам превосходит все ранее продемонстрированные аналоги. До этого момента разработка аналогичных субволновых нанолазеров успешно велась для ультрафиолетового, красного и зеленого диапазонов, однако создание столь компактного источника синего света оставалось нерешенной задачей.

Конструкция и принцип работы

Ключевым элементом устройства стали синтезированные нанокубоиды из перовскита CsPbCl₃. Их размеры составили 145 на 195 на 190 нанометров, а объем — примерно 0,005 кубических микрометра. Это примерно в 13 раз меньше объема куба с ребром, равным длине волны излучения. Для усиления оптических резонансов нанокубоиды были размещены на специальной подложке из серебряной пленки с тонким диэлектрическим слоем оксида алюминия.

Лазерная генерация была достигнута при охлаждении образцов до температуры 80 кельвинов и их возбуждении короткими лазерными импульсами. Излучение в устройстве происходит за счет механизма поляритонного лазирования, характерного для материалов, где носители заряда существуют в виде связанных квазичастиц — экситонов. Теоретическую модель для описания этого процесса разработал Денис Баранов из МФТИ, рассчитав оптические моды кубика с учетом сильной связи экситонов и фотонов.

Как пояснил Сергей Макаров, профессор Университета ИТМО, поляритонное лазирование требует значительно меньших энергозатрат по сравнению с традиционными механизмами. Это позволило создать устройство с низким порогом накачки — около 10 микроджоулей на квадратный сантиметр при охлаждении, что является важным преимуществом для практической интеграции.

Технологические перспективы и текущие ограничения

Разработанный нанолазер представляет интерес для создания сверхкомпактных источников оптического сигнала, которые могут быть использованы в фотонных чипах для оптических вычислений. Также потенциальными областями применения называются биомедицинская визуализация, оптическое хранение данных, квантовая связь и высококачественные дисплеи. В частности, такие источники света рассматриваются как возможные фотонные ускорители для электронных процессоров в системах искусственного интеллекта.

В настоящее время максимальную эффективность лазер демонстрирует только при криогенных температурах около 80 кельвинов из-за диссоциации экситонов при комнатной температуре. Ученые полагают, что этот недостаток может быть преодолен при переходе к резонаторам из перовскитов с пониженной размерностью. В дальнейшем коллектив планирует продолжить разработку теоретического инструментария для описания формирования поляритонных линий в излучении нанокубика и заняться интеграцией созданных источников света в фотонные интегральные схемы.

Исследование, подробно описывающее разработку, было опубликовано в рецензируемом научном журнале npj Nanophotonics. Работа знаменует собой важный шаг в преодолении фундаментальных ограничений дифракционного предела и открывает новые возможности для миниатюризации оптических устройств.