Une équipe internationale de chercheurs a annoncé le développement du laser à semi-conducteur le plus compact au monde qui fonctionne dans le domaine visible à température ambiante. Selon les auteurs de la recherche, le laser est une nanoparticule de seulement 310 nanomètres (soit 3, 000 fois moins qu'un millimètre) qui peut produire une lumière cohérente verte à température ambiante. L'article de recherche a été publié dans ACS Nano .

Il y a soixante ans, à la mi-mai, Le physicien américain Theodor Maiman a démontré le fonctionnement du premier générateur quantique optique, un laser. Maintenant, une équipe internationale de scientifiques, dont la plupart sont de l'Université ITMO, rapporte qu'ils ont démontré expérimentalement le laser à semi-conducteur le plus compact au monde qui fonctionne dans le domaine visible à température ambiante. Cela signifie que la lumière verte cohérente qu'il produit peut être facilement enregistrée et même vue à l'œil nu à l'aide d'un microscope optique standard.

Les scientifiques ont réussi à exploiter la partie verte de la bande visible, ce qui était considéré comme problématique pour les nanolasers. « Dans le domaine moderne des semi-conducteurs électroluminescents, il y a le problème du « trou vert », " dit Sergueï Makarov, chercheur principal de l'article et professeur à la Faculté de physique et d'ingénierie de l'Université ITMO. "Le trou vert signifie que l'efficacité quantique des matériaux semi-conducteurs conventionnels utilisés pour les diodes électroluminescentes tombe considérablement dans la partie verte du spectre. Ce problème complique le développement de nanolasers à température ambiante constitués de matériaux semi-conducteurs conventionnels."

L'équipe a choisi la pérovskite aux halogénures comme matériau pour ses nanolasers. Un laser traditionnel se compose de deux éléments clés :un milieu actif qui permet de générer une émission stimulée cohérente et un résonateur optique qui aide à confiner l'énergie électromagnétique à l'intérieur pendant longtemps. La pérovskite peut fournir ces deux propriétés :une nanoparticule d'une certaine forme peut agir à la fois comme milieu actif et comme résonateur efficace.

Par conséquent, les scientifiques ont réussi à fabriquer une particule de forme cubique de 310 nanomètres, qui peut générer un rayonnement laser à température ambiante lorsqu'il est photoexcité par une impulsion laser femtoseconde.

"Nous avons utilisé des impulsions laser femtosecondes pour pomper les nanolasers, " dit Ekaterina Tiguntseva, un chercheur junior à l'Université ITMO et l'un des co-auteurs de l'article. "Nous avons irradié des nanoparticules isolées jusqu'à ce que nous ayons atteint le seuil de génération laser à une intensité de pompe spécifique. Après cela, la nanoparticule commence à fonctionner comme un laser typique. Nous avons démontré qu'un tel nanolaser peut fonctionner pendant au moins un million de cycles d'excitation."

L'unicité du nanolaser développé ne se limite pas à sa petite taille. La nouvelle conception des nanoparticules permet un confinement efficace de l'énergie d'émission stimulée pour fournir une amplification suffisamment élevée des champs électromagnétiques pour la génération laser.

"L'idée est que la génération laser est un processus de seuil, " explique Kirill Koshelev, un chercheur junior à l'Université ITMO et l'un des co-auteurs de l'article. "Vous excitez la nanoparticule avec une impulsion laser, et à une intensité "seuil" spécifique de la source externe, la particule commence à générer une émission laser. Si vous ne parvenez pas à confiner suffisamment la lumière à l'intérieur, il n'y aura pas d'émission laser. Dans les expériences précédentes avec d'autres matériaux et systèmes, mais des idées similaires, il a été montré que vous pouvez utiliser des résonances Mie du quatrième ou du cinquième ordre, ce qui signifie des résonances où la longueur d'onde de la lumière à l'intérieur du matériau correspond au volume du résonateur quatre ou cinq fois à la fréquence de génération du laser. Nous avons montré que notre particule supporte une résonance Mie du troisième ordre, ce qui n'a jamais été fait auparavant. En d'autres termes, nous pouvons produire une émission stimulée cohérente dans les conditions où la taille du résonateur est égale à trois longueurs d'onde de la lumière à l'intérieur du matériau."

Notamment, il n'est pas nécessaire d'appliquer une pression externe ou une température très basse pour que la nanoparticule fonctionne comme un laser. Tous les effets décrits dans la recherche ont été produits à une pression atmosphérique et à une température ambiante régulières. Cela rend la technologie attrayante pour les spécialistes qui se concentrent sur la création de puces optiques, capteurs et autres dispositifs utilisant la lumière pour transférer et traiter des informations, y compris les puces pour ordinateurs optiques.

L'avantage des lasers qui fonctionnent dans le domaine visible est qu'avec toutes les autres propriétés égales, elles sont plus petites que les sources rouges et infrarouges avec les mêmes propriétés. La chose est, le volume des petits lasers a généralement une dépendance cubique de la longueur d'onde d'émission, et comme la longueur d'onde de la lumière verte est trois fois inférieure à celle de la lumière infrarouge, la limite de miniaturisation est beaucoup plus grande pour les lasers verts. Ceci est essentiel pour la production de composants ultracompacts pour les futurs systèmes informatiques optiques.