Учёные создали лазер размером с бактерию — и он работает. Причём светит он не обычным светом, а глубоким ультрафиолетом, который мы не видим, но который может быть очень полезен в самых разных областях: от обеззараживания до поиска опасных веществ. В разработке участвовали исследователи из НИУ ВШЭ (Санкт‑Петербург), Института физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, Цилуского технологического университета и Физико‑технического института им. А. Ф. Иоффе. Результаты работы опубликованы в журнале Optics & Laser Technology.
Что такое «глубокий ультрафиолет» и зачем он нужен
Глубокий ультрафиолет — это свет с очень короткой длиной волны (меньше 300 нанометров). Его нельзя увидеть глазами, и он не годится, чтобы освещать комнату. Но у него есть суперспособность: из‑за высокой энергии он активно взаимодействует с разными веществами.
Поэтому такой свет используют для важных задач:
- Обеззараживание. Ультрафиолет убивает бактерии и вирусы — поэтому его применяют, например, для очистки воды и воздуха.
- Поиск веществ. С его помощью можно обнаруживать в воздухе опасные газы или в пробах — биологически активные молекулы.
- Анализ состава. В спектроскопии ультрафиолет помогает «прочитать», из чего состоит вещество: разные вещества по‑разному поглощают такой свет, и по этим следам учёные понимают, что перед ними.
- Передача данных. На коротких расстояниях ультрафиолет можно использовать как канал связи.
Сейчас для этого чаще всего применяют ртутные лампы или большие газовые лазеры. У них есть минусы: они громоздкие, а в некоторых ещё и содержатся токсичные вещества. Для современных компактных устройств (вроде сенсоров или чипов) это не очень удобно. Хочется, чтобы источник света был маленьким и безопасным.
Лазер размером с бактерию
Именно это и сделали учёные: они создали микролазеры, которые излучают глубокий ультрафиолет, но при этом очень маленькие. Диаметр самого крошечного из них — около двух микрометров. Чтобы было понятнее: это примерно как размер бактерии. И при этом лазер работает при обычной комнатной температуре.
Основа устройства — сапфировая подложка. На неё учёные «наращивают» тонкие слои полупроводника, а потом с помощью микротехнологий вырезают из них миниатюрные диски. Внутри такого диска свет не просто гуляет как попало, а бежит по краю, многократно отражаясь от стенок. Это называется эффектом шепчущей галереи — по аналогии с архитектурным трюком: если в круглой галерее с изогнутыми стенами прошептать у стены, звук пойдёт вдоль неё и будет слышен далеко. В микролазере точно так же «бежит» свет, и это позволяет удерживать его в очень маленьком пространстве без громоздких зеркал.
В центре диска находится активная зона с тремя квантовыми ямами — это специальные слои, где и рождается лазерное излучение. В результате устройство светит на длине волны примерно 255 нанометров — это как раз глубокий ультрафиолет.
По словам Эдуарда Моисеева, старшего научного сотрудника Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ, сапфир — удачный выбор: он относительно недорогой, привычный для микроэлектроники и с ним удобно работать стандартными методами. То есть такие микролазеры в перспективе можно будет выпускать серийно и встраивать прямо в чипы и сенсоры.
Для микродиска диаметром два микрометра учёные получили пороговую плотность мощности около 280 киловатт на квадратный сантиметр. Это уровень лучших мировых результатов для таких коротких волн.
Как это будет работать в реальной жизни
Сейчас эти микролазеры «запускают» с помощью другого, внешнего лазера — это называется оптической накачкой. Для лабораторных экспериментов это нормально, но для реального устройства (например, портативного сенсора) такой подход неудобен: внешний лазер — это опять лишние габариты и сложность.
Следующий шаг учёных — сделать так, чтобы лазер включался от обычного электрического тока (электрическая накачка). Для этого нужно решить несколько инженерных задач: снизить сопротивление слоёв, грамотно подвести ток к активной зоне и при этом не испортить качество кристалла. Если получится, такие микролазеры можно будет ставить в компактные приборы, которые люди будут носить с собой.
Где пригодятся такие микролазеры
Перспектив довольно много:
- Биосенсоры. Компактный источник ультрафиолета поможет быстро и точно обнаруживать нужные молекулы в пробах.
- Газовые сенсоры. Такие устройства смогут выявлять опасные или редкие газы в воздухе.
- Системы обеззараживания. Миниатюрные UV‑источники можно встраивать в фильтры, очистители воды и воздуха, делая их компактнее и удобнее.
- Фотонные чипы и связь. В новых типах электроники ультрафиолет может использоваться для передачи и обработки данных внутри устройства.
Получается, что учёные не просто сделали очень маленький лазер. Они показали, что компактный источник глубокого ультрафиолета может быть практичным и работать в привычных условиях. Это открывает дорогу к новым приборам, которые будут удобнее, мобильнее и, возможно, доступнее.
