Первый поляритонный лазерный диод на перовските: прорыв российских ученых

Российские ученые из Сколтеха совместно с коллегами из ИТМО и НИУ ВШЭ впервые в мире создали поляритонный лазерный диод на основе перовскита, работающий при комнатной температуре и электрической накачке. Результаты опубликованы в журнале Nature. Эта разработка открывает путь к лазерам нового поколен

Что такое поляритонный лазер и чем он отличается от обычного?

В обычном полупроводниковом лазере свет возникает при вынужденном излучении, когда электроны переходят с высокого энергетического уровня на низкий. Для этого требуется значительный ток, что приводит к нагреву и потерям энергии. В поляритонном лазере используется принципиально иной механизм. В активной среде образуются экситоны — связанные пары электрона и дырки. При сильной связи экситонов с фотонами возникают квазичастицы — поляритоны. При достижении определенной концентрации поляритоны образуют бозе-эйнштейновский конденсат, который испускает когерентный свет. Пороговая мощность для такого процесса значительно ниже, что делает поляритонные лазеры сверхэкономичными.

Почему создание поляритонного лазера с электрической накачкой считалось сложной задачей?

До сих пор все поляритонные лазеры работали либо при оптической накачке (с помощью другого лазера), либо при криогенных температурах. Переход к электрической накачке — ключевой шаг к практическому применению, так как только такие лазеры можно интегрировать в микрочипы и электронные устройства. Главные трудности заключались в эффективной инжекции носителей заряда в активную среду и одновременном удержании поляритонов в резонаторе. Российская команда решила эти проблемы, создав специальную структуру с квантовыми ямами и оптическим резонатором на основе перовскитной пленки.

Как устроен новый лазерный диод?

Устройство представляет собой вертикально-излучающий лазер (VCSEL) с активной областью из тонкой пленки галогенидного перовскита толщиной всего несколько десятков нанометров. Резонатор образован двумя диэлектрическими зеркалами. Электрическая накачка осуществляется через прозрачные электроды из оксида индия-олова (ITO), которые инжектируют электроны и дырки в перовскит. Там они образуют экситоны, которые связываются с фотонами в резонаторе. При достижении критической концентрации поляритонов начинается лазерная генерация. Диод излучает в красной области спектра (около 700 нм) и работает непрерывно при комнатной температуре в течение нескольких часов без деградации.

Каковы преимущества нового лазера перед существующими?

Главное преимущество — низкий пороговый ток. По оценкам ученых, он в несколько раз ниже, чем у лучших коммерческих полупроводниковых лазеров аналогичного размера. Например, традиционные лазеры на арсениде галлия (GaAs) имеют пороговые токи порядка 1 кА/см², тогда как для поляритонных лазеров теоретический предел — 0,1 кА/см² и ниже. Российская разработка приближается к этому пределу. Это означает значительно меньшее энергопотребление и нагрев, что особенно важно для портативных устройств и систем с высокой плотностью интеграции.

Какое значение имеет эта разработка для науки и промышленности?

Публикация в Nature подтверждает мировой уровень российской науки. Прорыв может стимулировать новую волну исследований поляритонных лазеров по всему миру. Для промышленности это потенциальная замена традиционных лазеров в системах оптической связи, лидарах, датчиках и медицинском оборудовании. Благодаря низкому энергопотреблению поляритонные лазеры идеально подходят для интернета вещей и портативной электроники. В перспективе они могут использоваться в квантовых компьютерах, где поляритонные конденсаты служат основой для кубитов.

Какие следующие шаги планируют ученые?

В ближайшее время исследователи намерены оптимизировать материал и структуру для увеличения мощности излучения и расширения спектрального диапазона. Планируется создание лазеров, работающих в синей и ближней инфракрасной областях. Также ведутся работы по интеграции с кремниевыми фотонными чипами. Ожидается, что в ближайшие 2–3 года появятся прототипы устройств для конкретных приложений, например, для высокоскоростной передачи данных.

Итог

Создание первого поляритонного лазерного диода с электрической накачкой на перовските — значимый шаг к эре сверхэффективных лазеров. Российские ученые продемонстрировали, что перовскиты могут быть основой для практических устройств, способных конкурировать с традиционными полупроводниковыми лазерами. Следить за развитием этой темы стоит всем, кто интересуется передовыми технологиями и будущим оптоэлектроники.