Совсем недавно в Корейском институте передовых технологий разработали очень интересную лазерную технологию, основанную на взаимодействие фотонов с экситонами внутри специально созданного микрорезонатора.
Чтобы понять суть новой технологии необходимо разобраться с тем, что же такое экситон. А для этого необходимо сначала вспомнить Генриха Герца, который в 1887 году открыл явление фотоэффекта, когда падающий на металл свет выбивает из него электроны. Нормальное объяснение этому дал в 1905 году Альберт Эйнштейн, использовав гипотезу Макса Планка о квантовой природе света. По его мысли атомы кристаллической решетки металлов поглощают падающие фотоны, в результате чего возбуждаются и выбрасывают свои собственные электроны в пространство. В результате внутри вещества или у его поверхности появляется облако из свободных электронов, движение которых можно организовать при помощи электрического поля, и получить электрический ток.
Следующий шаг сделал в 1931 году советский физик Яков Френкель, который задался вопросом: может ли кристалл поглощать свет без рождения свободных электронов? Оказалось, что да. Вылетающий из родного атома электрон взаимодействует с окружающими атомами, но при этом взаимодействует и с получившимся ионом. С увеличением расстояния между электроном и ионом их взаимодействие уменьшается, и если энергии достаточно, то электрон может так далеко отлететь от иона, что их взаимным притяжением можно будет пренебречь. Но возможно и обратное, когда электрону хватит энергии только на то, чтобы отлететь от иона, но не порвать свою с ним связь. Тогда образуется связанное состояние, которое и назвали «экситон». Если теперь вспомнить, что речь идет о кристаллической решетке, то можно представить картину, когда какой-то из свободных электронов в какой-то момент времени подлетает к иону экситона ближе, чем расположен его электрон-напарник. В этом случае, при условии, что взаимодействие электрона с окружающими ион атомам решетки слабее притяжения к иону, ион может электрон поглотить и вновь стать обычным атомом кристаллической решетки. Оставшийся же электрон экситона может либо остаться свободным, либо поглотиться другим ионом, либо образовать через некоторое время другое устойчивое соединение с другим ионом. В последнем случае можно говорить как о рождении нового экситона, так и о перемещении в пространстве старого. И именно последний способ описания позволяет рассматривать экситоны как своеобразные «квазичастицы», путешествующие внутри кристалла.
При этом экситоны и сами способны взаимодействовать с фотонами, порождая новые квазичастицы «поляритоны», представляющие собой связанную систему из фотона и экситона. Причем такие квазичастицы обладают дискретным спектром энергии, что установил в 1950 году советский физик Кирилл Толпыго, а значит, при столкновении они могут порождать фотоны только определенных длин волн, в результате чего можно наблюдать лазерное излучение. И до последнего времени такие явления наблюдались только при очень низких температурах.
Именно такое излучение смогли организовать корейские физики, обеспечив контролируемое рождение поляритонов. Для этого они создали специальный гексагональный оптический микрорезонатор из полупроводников. Когда сквозь него светят лазером, луч рождает во взаимодействии с экситонами внутри полупроводников поляритоны, которые в свою очередь создают дополнительное лазерное излучение. Причем происходит это при комнатной температуре(!). Возникает такой эффект благодаря правильному подбору геометрии и материалов микрорезонатора – когда луч проходит сквозь его нижнюю и верхнюю часть, он порождает те самые нужные для усиления поляритоны, а ее форма обеспечивает их «столкновение» и возникновение дополнительного усиливающего излучения.
Эти исследования кажутся очень далекими от практики. Однако, это совсем не так. Обычно во время работы лазера теряется энергия. Но в этой системе, несмотря на потерю энергии на рождение поляритонов, конечное количество энергии, необходимое для возбуждения лазерной генерации, уменьшается за счет возникновения эффекта поляритонного излучения. И как следствие из этого, появляется вполне себе возможная схема разработки высокоэффективных лазеров с низким порогом активации, что может быть необходимым для будущих квантово-оптических устройств. Но тут уже будущее покажет.
Hyun Gyu Song et al, Room-temperature polaritonic non-Hermitian system with single microcavity, Nature Photonics (2021). DOI: 10.1038/s41566-021-00820-z
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.