Ученые создали настраиваемые плазмонные лазеры из квантовых точек
Микрофотография спазера на основе квантовых точек
Stephan J. P. Kress et al./ Science Advances, 2017
Ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха предложили новый тип плазмонных лазеров с резонаторами из квантовых точек. Использование такого типа резонатора позволяет настраивать длину волны возбуждаемого поверхностного плазмона и значительно увеличивает его интенсивность и монохроматичность. Работа опубликована в Science Advances.
Поверхностные плазмоны — квазичастицы, которые представляют собой волны электронной плотности, возникающие на поверхности металла. Возникать поверхностный плазмон может, например, при взаимодействии электронной плазмы внутри вещества с внешним излучением. Подробнее о плазмонах и других квазичастицах вы можете прочитать в нашем материале из цикла «Квантовая азбука».
В 2003 году была предложена концепция устройства, которое может создавать когерентные поверхностные плазмоны, подобно тому, как лазер делает это с фотонами. Назвали такое устройство плазмонным лазером или спазером (от англ. Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Интенсивность поверхностных плазмонов в таких устройствах значительно меньше, чем у светового пучка, создаваемого лазером, зато его можно намного точнее сфокусировать. Это делает такие устройства крайне перспективными для использования при литографии с наноразрешением или в качестве сенсоров отдельных молекул.
Впервые работающий спазер был создан в 2009 году. Он представлял собой золотую наночастицу, покрытую оболочкой из кремния. Сейчас ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха в качестве металлической основы спазера предложили использовать тонкую пленку серебра, а в качестве оптического резонатора — квантовые точки. Как и в лазере, оптический резонатор в спазере представляет собой систему, которая благодаря многократному переотражению позволяет увеличить интенсивность плазмона. Использование квантовых точек в качестве элемента резонатора эффективно из-за того, что они могут поглощать свет, переизлучая его потом в виде монохроматического сигнала в видимой и ультрафиолетовой части спектра, длину волны которого можно изменять, меняя состав или размер квантовой точки.
В своей работе при создании оптического резонатора для спазера ученые использовали квантовые точки сложного состава: ядро полупроводниковых частиц из селенида кадмия было покрыто двумя оболочками: из сульфида кадмия и сульфида цинка. Такая сложная структура помогает контролировать длины излучаемого света и уменьшить ширину пика излучения. В своей работе ученые использовали три типа квантовых точек: с длиной волны излучения 602, 625 и 633 нанометров, что соответствует цвету от желтого до красного.
Квантовые точки наносились на кремниевую подложку, покрытую тонким слоем серебра, в виде полосы длиной 10 микрон и шириной 2 микрона. Толщина полосы составляла от 7 до 16 слоев, так, что суммарная толщина резонатора была от 100 до 400 нанометров. С двух сторон полоса ограничивались блоками из серебра большей толщины, которые отражали поверхностные плазмоны, увеличивая время их жизни внутри резонатора.
(A) Схема работы плазмонного резонатора на основе квантовых точек; (B) спектр излучения 100 квантовых точек при слабом возбуждении; (B) спектр излучения заполненного резонатора при слабом возбуждении; (D) микрофотография резонатора; (E,F) спектры излучения резонатора при возбуждении световыми импульсами разной интенсивности
S. J. P. Kress et al./ Science Advances, 2017
При облучении такой системы лазером излучение поглощается квантовыми точками и возбуждает поверхностный плазмон в слое серебра. Поверхностный плазмон распространяется внутри полосы квантовых точек, при этом многократно отражаясь от вертикальных серебряных стенок такого резонатора. Это приводит к увеличению интенсивности плазмона, которую дополнительно можно увеличить, изменяя интенсивность и тип возбуждающего излучения.
Если же один из блоков из серебра сделать в форме вытянутого треугольника, то сигнал спазера можно сфокусировать и направить в необходимую точку. Такой элемент работает в качестве волновода и переносит поверхностный плазмон в вершину этого треугольника.
Плазмонный лазер с напрявляющим элементом, который фокусирует плазмон в нужную точку
S. J. P. Kress et al./ Science Advances, 2017
Если же такой фокусирующий элемент дополнительно покрыть тонким слоем квантовых точек, то можно еще увеличить интенсивность плазмона.
По словам ученых, предложенная конфигурация спазера является крайне перспективной для создания очень чувствительных сенсоров, например, для биологических молекул. Использовать поверхностные плазмоны, которые возбуждаются в металлических наночастицах можно и для других целей: недавно ученые предложили механизм, который позволяет с помощью них направлять лазером поток жидкости. Кроме этого, плазмонный резонанс может использоваться и в методах анализа: так, например, его можно использовать для точного определения конформации сложных молекулярных структур.
Александр Дубов
