От света к электричеству: российские ученые решили одну из главных проблем поляритонных лазеров

Российские ученые впервые продемонстрировали работу перовскитного поляритонного лазера с прямой электрической накачкой — одной из самых сложных задач современной фотоники. Разработанная конструкция открывает путь к созданию нового поколения компактных и энергоэффективных источников света для фотонных технологий. Работу выполнила лаборатория гибридной фотоники под руководством Павлоса Лагудакиса — первого лауреата Национальной премии в области будущих технологий «Вызов» — в Сколтехе совместно с коллегами из ИТМО и НИУ ВШЭ. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Почему обычных лазеров уже недостаточно

Сегодня лазеры используются практически везде — они лежат в основе волоконно-оптической связи, медицинских приборов, промышленных станков, систем хранения данных и множества научных установок. Однако по мере того, как электроника становится все меньше и производительнее, обычные полупроводниковые лазеры приближаются к своим физическим пределам. Они потребляют относительно много энергии, выделяют тепло и требуют более сложных конструкций. Поэтому физики уже несколько десятилетий ищут материалы и принципы работы, которые позволили бы создавать компактные и энергоэффективные источники света. Одним из самых перспективных направлений считаются поляритонные лазеры.

Чем поляритон отличается от обычного фотона

Обычный лазер работает благодаря большому количеству фотонов. Чтобы возникло лазерное излучение, необходимо сначала накопить огромное число возбужденных электронов, а это требует больших затрат энергии. В поляритонном лазере ситуация совсем другая: поляритон возникает, когда фотон оказывается буквально заперт внутри микроскопического оптического резонатора и начинает настолько сильно взаимодействовать с веществом, что их уже невозможно рассматривать отдельно. Так появляется новая квазичастица — поляритон, которая одновременно обладает свойствами света и вещества. Поляритонам гораздо легче перейти в единое квантовое состояние, поэтому лазерная генерация начинается при меньших энергозатратах. Именно поэтому поляритонные лазеры рассматриваются как возможная основа фотонных процессоров, сверхбыстрых оптических вычислений и нового поколения систем передачи информации.

Главное препятствие — электрическая накачка

Несмотря на очевидные преимущества, создать такой лазер оказалось труднее, чем предполагали исследователи. Особенно перспективными для подобных устройств считались галогенидные перовскиты — материалы, которые легко получать из раствора, а их взаимодействие со светом оказалось одним из лучших среди современных полупроводников.

За последние годы ученым удалось создать множество перовскитных лазеров, однако почти все они работали только при оптической накачке. Иными словами, чтобы лазер заработал, его нужно было сначала осветить другим, гораздо более мощным лазером. Для фундаментальной науки это приемлемо, но для практических устройств — нет. Если подобные технологии когда-нибудь появятся в компьютерах, средствах связи или оптических чипах, они должны работать от обычного электрического тока. Именно переход от оптической к электрической накачке многие годы оставался главным препятствием.

Новая архитектура перовскитного лазера

Российские исследователи предложили принципиально новую архитектуру устройства: они использовали микропластину перовскита CsPbBr₃, выращенную из раствора, подключили к ней химически инертные электроды из однослойных углеродных нанотрубок и поместили всю конструкцию внутрь оптического микрорезонатора.

При охлаждении устройства до температуры 8 К и подаче постоянного электрического тока внутри структуры сформировался p–i–n-диод — одна из наиболее эффективных конструкций полупроводниковых приборов, позволяющая равномерно вводить в материал электроны. Именно такой баланс оказался необходим для возникновения поляритонов в достаточном количестве. В результате уже при токе 65 микроампер устройство перешло в режим устойчивой поляритонной лазерной генерации.

«Наш результат можно считать не только важным этапом в развитии перовскитных лазеров, но и основой нового направления разработки неэпитаксиальных полупроводниковых лазерных диодов. Мы впервые продемонстрировали поляритонный лазерный диод, работающий при прямой электрической накачке перовскитного микрокристалла, выращенного по растворной технологии. Научные группы, занимающие лидирующие позиции в мире, пытались достичь лазерной генерации в неэпитаксиальных полупроводниках на протяжении более чем 60 лет. До нашей работы были продемонстрированы лишь интегральные устройства, в которых тонкий слой органического полупроводника или перовскита генерировал лазерное излучение при возбуждении светом тонкопленочного светодиода, что представляет собой случай косвенной электрической накачки», — рассказал Анатолий Пушкарев, соавтор исследования из лаборатории гибридной фотоники Сколковского института науки и технологий.

Перспективы разработки

Ранее ученым удавалось добиться либо промежуточного режима между светодиодом и лазером, либо лазерной генерации только при дополнительной оптической накачке. Отечественные ученые впервые показали, что перовскитный поляритонный лазер может работать непосредственно от постоянного электрического тока.

«Поскольку снижение энергозатрат каждого лазерного источника имеет принципиальное значение при использовании тысяч лазеров на одном чипе, среди приоритетных областей применения мы в первую очередь выделяем устройства интегральной фотоники, включая оптические интерконнекторы между процессорами, фотонные вычислительные ускорители и оптические нейроморфные процессоры», — отметил Анатолий Пушкарев.

Пока устройство функционирует лишь при температуре около −265 °C, однако сама возможность реализовать такую схему считается важнейшим доказательством принципа. Следующим шагом станет поиск материалов и конструкций, которые позволят добиться аналогичного эффекта уже при более высоких температурах.