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.
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.
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