Объединённая группа из СПбГУ, Алферовского университета, ВШЭ — Санкт-Петербург, ЛЭТИ и МФТИ продемонстрировала когерентный источник оптического излучения, который в 7,5 раза тоньше длины волны собственного излучения. Поперечник рабочей области составляет около 60 нм, при том, что генерируемый свет имеет длину волны 450 нм. Соотношение размера прибора к длине волны — примерно 1:7,5. Статья вышла в журнале Nanoscale Horizons, работа выполнена при поддержке гранта РНФ.
Спектральная ширина генерируемого излучения — 0,15 нм. Для понимания масштаба: стандартные полупроводниковые лазерные диоды демонстрируют полосу от 0,7 до 1,5 нм. Пятикратное и более сужение полосы означает значительно более высокую монохроматичность — свойство, определяющее пригодность источника для точных измерений, детектирования и работы в составе оптических схем.
Физический принцип: свет, сжатый электронами
Классическая оптика запрещает сфокусировать световой пучок в область меньше примерно половины его длины волны. Для синего диапазона (450 нм) этот порог — около 225 нм. Любая обычная оптическая система, будь то линза или волновод, подчиняется этому правилу.
Российская группа обошла запрет, используя принципиально иной носитель энергии. На границе раздела металла и диэлектрика свободные электроны металла способны коллективно колебаться в такт внешнему электромагнитному полю. Возникающая при этом связанная волна — поверхностный плазмон-поляритон — переносит энергию вдоль поверхности и может быть локализована в объёме, кратно меньшем дифракционного предела.
Когда такую связанную волну усиливают за счёт вынужденного излучения (как в обычном лазере), получается устройство, которое в литературе обозначают аббревиатурой SPASER (Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Именно этот тип генератора и реализован петербургской группой.
Конструкция: столбик полупроводника на зеркальной подложке
Рабочий элемент — одиночный столбик (нитевидный нанокристалл) из нитрида галлия, внутри которого сформированы тонкие вставки нитрида индия-галлия. Эти вставки играют роль квантовых ям — областей, где электроны и дырки рекомбинируют с выделением фотонов заданной энергии. Столбики получают методом молекулярно-пучковой эпитаксии — атом за атомом, в вакуумной камере.
Нанокристалл помещается на подложку с металлическим покрытием, отделённым от полупроводника тонким слоем диэлектрика. Именно на этой границе рождаются плазмон-поляритонные моды, обеспечивающие и обратную связь для генерации, и субволновую локализацию поля.
Младший научный сотрудник СПбГУ Талгат Шугабаев отметил:
«Мы объединили преимущества молекулярно-пучковой эпитаксии, нитевидных нанокристаллов и квантовых ям InGaN, что и позволило достичь полученных результатов».
Почему именно синий диапазон
Выбор длины волны 450 нм продиктован не потребностями конечного применения, а физикой самого устройства: при столь малых размерах синяя область спектра технологически наиболее доступна для нитридной полупроводниковой платформы. Материал позволяет сдвигать спектр генерации в сторону зелёного или красного диапазона — для этого достаточно изменить долю индия в квантовых ямах. Таким образом, продемонстрированный прибор — не привязан к одному цвету, а представляет собой платформу с перестраиваемым спектром.
Где может пригодиться
Авторы называют несколько направлений, для которых компактный когерентный источник субволнового масштаба представляет интерес:
- биохимическая диагностика — обнаружение единичных молекул по изменению оптических характеристик вблизи наноструктуры;
- оптическая микроскопия за пределами дифракции — визуализация объектов, недоступных обычным микроскопам;
- квантовая обработка информации — генерация и манипулирование одиночными фотонами;
- измерения непосредственно на оптическом кристалле — встроенный эталонный источник для фотонных схем.
Последний пункт пересекается с направлением, которое мы рассматривали ранее: V-образные волноводы МФТИ и XPANCEO решают задачу проведения оптического сигнала по микросхеме, а обратно-спроектированные компоненты Гарварда и Института Макса Планка — его обработки. Нанолазер СПбГУ потенциально закрывает позицию источника — генератора когерентного света, помещающегося непосредственно на кристалле.
Ограничения
Авторы открыто указывают: до промышленного воплощения остаётся множество нерешённых вопросов, часть из которых носит фундаментальный характер. Существующие производственные мощности не могут быть перенастроены под выпуск подобных приборов — потребуются технологические линии принципиально нового типа. На текущем этапе речь идёт о лабораторной демонстрации физического явления, а не о готовом компоненте для серийной продукции.