Ученые СПбГУ совместно с российскими и зарубежными коллегами разработали нанолазер на основе нитридных нитевидных нанокристаллов InGaN. Ширина полосы излучения 0.15 нм и малые размеры самого прибора делают его перспективным для сенсорики, микроскопии, зондирования и проведения измерений на чипах.
 |
| Рисунок взят из Nanoscale Horizons. |
В плазмон‑поляритонных нанолазерах часто используют полупроводниковые нитевидные нанокристаллы. Благодаря этому один из ключевых размеров всего устройства не превышает нескольких сотен нанометров.
Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в научном журнале Nanoscale Horizons.
Для классических лазеров, которые лежат в основе указок, сканеров и станков, существует принципиальное ограничение — дифракционный предел. Он не позволяет сжать свет в пятно меньше половины длины волны. Именно поэтому такие устройства не могут конкурировать с нанолазерами по миниатюрности, обычно их размер составляет от единиц микрометров до нескольких миллиметров.
Дифракционный предел — это барьер, за которым прячется целый мир нанообъектов: вирусы, одиночные белки, мелкие наночастицы. Обычный лазер или микроскоп просто не распознают настолько мелкие «песчинки». Чтобы обойти это ограничение, в плазмон‑поляритонных нанолазерах (спасерах) используют «гибрид» света и электронных колебаний (поверхностные плазмон‑поляритоны), который позволяет концентрировать энергию в объемах, значительно меньших дифракционного предела.
В исследовании приняла участие группа российских ученых Санкт‑Петербургского государственного университета, Алферовского университета, НИУ ВШЭ — Санкт‑Петербург, СПбГЭТУ (ЛЭТИ) и МФТИ, а также исследователи из других стран.
Подобные устройства с узкой полосой излучения необходимы для проведения высокоточного зондирования (например, обнаружения единичных молекул или наночастиц в биологических и химических средах), квантовой обработки информации, а также для микроскопических исследований со сверхвысоким разрешением.
Ученые Санкт‑Петербургского государственного университета вместе с коллегами из других научных организаций создали лазер с поперечным размером около 60 нм и полосой излучения порядка 0.15 нм — это в 5‑10 раз меньше, чем в обычных полупроводниковых лазерах. Такая конструкция требует очень качественных материалов: поверхности должны быть идеально гладкими, а активная среда — давать крайне однородный сигнал без лишних примесей в спектре.
«В нашей конфигурации плазмон‑поляритоны формируются в системе одиночных нитевидных нанокристаллов, расположенных на металл‑диэлектрической подложке. Мы объединили преимущества молекулярно‑пучковой эпитаксии, нитевидных нанокристаллов и квантовых ям InGaN, что и позволило достичь полученных результатов», — рассказал участник исследования, младший научный сотрудник лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ Талгат Шугабаев.
Нитевидные нанокристаллы на основе тройного соединения нитрида индия‑галлия (InGaN) активно используются в разработках ученых Санкт‑Петербургского университета. Так, ранее физикам СПбГУ удалось открыть новый механизм формирования таких нанокристаллов для оптоэлектронных устройств.
По словам исследователей, нитевидные нанокристаллы на основе нитридных полупроводников открывают возможности для создания нанолазеров в широком спектральном диапазоне: от «обеззараживающего» ультрафиолетового до «телекоммуникационного» инфракрасного. Сейчас ученые занимаются повышением рабочей температуры такого устройства и переходом от оптической накачки к электрической — заменой внешнего оптического возбуждения на прямое преобразование электроэнергии в генерацию излучения.
В дальнейшем эта разработка может найти применение в областях, где требуется локализация света в нанометровом масштабе. Например, для сенсорики, биохимического детектирования, сверхразрешающей микроскопии, а также для создания компонентов фотонных интегральных схем.
Санкт‑Петербургский государственный университет — старейший университет России — был основан 28 января (8 февраля) 1724 года, когда Петр I издал указ об учреждении Университета и Российской академии наук. Сегодня СПбГУ — один из крупнейших научно‑образовательных центров. Здесь учатся более 20 тысяч студентов, созданы более 15 крупных лабораторий и 23 ресурсных центра, входящих в ведущий Научный парк страны. Выпускники Университета неоднократно становились лауреатами Нобелевской и Филдсовской премий.
С недавних пор Северная столица официально отмечает новый праздник — День Санкт‑Петербургского государственного университета, внесенный в закон Санкт-Петербурга «О праздниках и памятных датах в Санкт‑Петербурге».