Исследователи из Университета ИТМО, Сколковского института науки и технологий, Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, Московского центра перспективных исследований и Университета Аль-Айна в ОАЭ создали самый маленький в мире лазер, работающий в синем спектре света. Это нанолазер на основе перовскита CsPbCl₃ объемом около 0,005 мкм³ − примерно в десять раз меньше, чем у сопоставимых устройств предыдущего поколения. Такая компактность позволяет делать более плотные фотонные схемы, уменьшать пиксели в дисплеях и повышать точность оптической записи.
Главная проблема, которую решили ученые, состояла в фундаментальном ограничении, известном как дифракционный предел. Обычно лазер нельзя сильно уменьшить − его размер связан с длиной волны света. Для синего диапазона это сотни нанометров, поэтому прежние устройства оставались сравнительно крупными. В этой работе ученые обошли ограничение за счет другого подхода − использования экситонных поляритонов. Это состояния, в которых свет и вещество работают вместе, как единая система, и благодаря этому излучение можно «сжать» в гораздо меньший объем.
Для этого исследователи создали нанокристаллы CsPbCl₃ размером от 145 до 310 нанометров и разместили их на специальной подложке из серебра с тонким слоем оксида алюминия. Такая конструкция усиливает взаимодействие света с материалом. При охлаждении до 80 К (−193 °C) свойства системы меняются: вместо одного широкого сигнала появляются два пика. Это означает, что свет начинает сильно взаимодействовать с веществом, и внутри кристалла формируются поляритоны.
При увеличении мощности накачки происходит переход к лазерной генерации. Сначала излучение остается широким, но затем резко сужается, появляются узкие пики, а интенсивность начинает быстро расти − это признаки работы лазера. Для самого маленького кристалла удалось получить стабильное излучение на длине волны около 415 нм с очень узкой линией, что говорит о высокой эффективности даже при таких размерах.
Разработанная исследователями модель показала, что энергия в системе постепенно переходит на самый низкий уровень, где и возникает упорядоченное, когерентное излучение. При этом, в отличие от обычных лазеров, здесь не требуется сложное «переворачивание» энергетических уровней − все происходит за счет коллективного поведения частиц, поэтому лазер запускается при меньшей энергии.
Пока устройство работает при очень низкой температуре, но в будущем это ограничение могут снять. Если удастся добиться работы при комнатных условиях, такие нанолазеры могут стать основой нового поколения фотонных технологий.
