Ученые впервые продемонстрировали лазерную генерацию зеленого света на частице из перовскитного материала размером 310 нанометров. Лазер работает при комнатной температуре и стандартном атмосферном давлении — благодаря этому технология может найти применение в оптических вычислительных системах. Статья принята к публикации в ACS Nano, ее текст размещен на сайте журнала.
Лазеры — это устройства, которые за счет внешней энергии (называемой энергией накачки) генерируют узкий направленный пучок излучения. Атомы вещества, которые находятся в возбужденном состоянии, способны под влиянием внешнего фотона с такой же энергией (равной энергии возбуждения) излучить свой фотон, не поглощая внешний. Благодаря этому излучение определенной энергии может усиливаться при прохождении через материал, атомы которого приведены в возбужденное состояние, — активную среду лазера. В качестве первичного излучения в лазере выступают фотоны, самопроизвольно излучаемые из тех же возбужденных атомов — из-за этого их энергия сразу принимает нужное значение. Для поддержания генерации используется оптический резонатор — устройство, которое не позволяет рождающимся фотонам сразу покидать активную среду, вследствие чего многократно увеличивает темпы их производства и усиливает интенсивность излучения.
Чтобы эффективно применять лазеры в технике (и особенно в оптических вычислительных системах), необходимо одновременно делать эти устройства компактными и эффективными. Для этих целей хорошо подходят наночастицы из перовскитных материалов, которые могут одновременно выступать как в роли активной среды, так и в качестве оптического резонатора. В добавление к тому, нанокристаллы из таких веществ сравнительно просто изготовить — некоторые из них можно синтезировать даже при комнатной температуре.
Научная группа из Австралии, Гонконга, России, США и Швеции под руководством Юрия Кившаря (Yuri Kivshar) и Сергея Макарова (Sergey Makarov) из Университета ИТМО впервые продемонстрировала лазерную генерацию в видимом диапазоне на частицах CsPbBr3. Нанокристаллы кубической формы размером от нескольких сотен нанометров (в тысячи раз меньше миллиметра) физики вырастили на сапфировой подложке, по очереди используя разогретые растворы PbBr2 и CsBr. Для оптической накачки кристалла авторы фокусировали на нем сверхкороткие (продолжительностью в триллионную долю миллисекунды) лазерные импульсы с длиной волны 524 нанометра, а затем собирали возникающее излучение при помощи специального объектива и исследовали его спектральный состав (то есть измеряли интенсивность излучения на разных длинах волн) при помощи дифракционной решетки.
Оказалось, что кристаллы размером от 310 нанометров дают всплеск интенсивности излучения в области зеленого света (длина волны 520–540 нанометров), а работа получившегося нанолазера длится на протяжении не менее чем миллиона актов накачки, что говорит о способности перовскитной частицы эффективно удерживать энергию — такие свойства дают материалу большие перспективы в дальнейшем техническом применении. Авторы отмечают, что им впервые удалось достичь резонанса Ми третьего порядка — то есть уложить в резонаторе всего три длины волны, тогда как в предыдущих исследованиях возникали только резонансы четвертого и пятого порядков. Кроме того, все перечисленные свойства нанолазер проявляет при комнатной температуре и обычном атмосферном давлении, что также расширяет возможности его использования в компактных оптических устройствах.
Подробнее о применении перовскитных материалов в нанофотонике можно узнать в материале «Большинство открытий еще не сделаны», а о том, как они используются в солнечных батареях — в статье «Горизонт перовскитных событий».
Николай Мартыненко