科學家研製出世界上最小的半導體雷射，可以在室溫下於可見光的範圍內 工作
一個國際研究團隊，在俄羅斯ITMO大學（ ITMO University）的研究人員的領導下，發布了一款世界上最為緊湊的半導體雷射器，該雷射器可於室溫下在可見光的範圍內進行工作。依據論文作者的研究成果，這一雷射器的納米粒子在尺寸上只有310nm的尺寸，這一數值比1毫米的三千分之一還要小。可以在室溫下產生綠色的相干光。這一最新研究成果發表在期刊《ACS Nano》上。
非等離子體的納米雷射運行在室溫時的正常的總體積的對比圖
在這一年，國際的光物理學家慶祝雷射器誕生60周年，在60年前，5月的中旬，美國物理學家Theodor Maiman為世人展示了首款光學量子生成器——雷射。現在，60年過去了，一個國際的研究團隊在期刊《ACS Nano》上為大家發布了其實驗得出的當今世界上最為緊湊的半導體雷射器，該雷射器於室溫下可在可見光的波長範圍內工作。這就意味著相干綠色光的產生變得容易，甚至可以利用常規的光學顯微鏡來通過人眼進行觀察。
值得一提的是，科學家成功的克服了可見光部分的綠色光被認為是採用納米雷射進行製造存在問題的這一魔咒。在光發射半導體的現代場理論中，存在一個綠色的鴻溝問題，Sergey Makarov說到，他是本論文的主要研究者，同時是ITMO大學的物理工程學院的教授。綠色鴻溝意味著傳統但導體材料的量子效率在用於光發射半導體的時候會在綠色的光譜波段出現顯著下降的情形。這一問題使得採用傳統的半導體材料來製造出室溫條件下工作的納米雷射變得複雜起來。
兩步沉積法 在Sapphire基材上製造納米立方體的鈣鈦礦CsPbBr3
一個來自聖彼得堡的跨學科的研究團隊，選擇滷化物鈣鈦礦作為納米雷射的材料。一個傳統的雷射由兩個關鍵的元素所組成，活性工作介質，可以允許產生相干的受激發射和光學共振腔來幫助限制內部的電磁能來持續長時間的工作。鈣鈦礦可以同時提供兩方面的性能，一定形狀的納米粒子來同時作為活性介質和有效的共振腔。
結果，科學家成功的製造出立方形狀的尺寸為300nm的粒子，當採用飛秒雷射脈衝進行光激發的時候，可以在室溫下產生雷射發射。
鈣鈦礦 納米粒子生成的雷射產生的結構光：
圖解： (a) 實驗測得的CsPbBr3納米立方體在三種不同尺寸： 310, 450和500 nm的條件下的散射譜； (b) 當統計CIE 1931 顏色圖形的圖形顯示出的納米管的尺寸範圍在310-560nm
我們使用飛秒雷射來泵浦納米雷射， Ekaterina Tiguntseva說到，是一名ITMO大學的研究人員以及該論文的一名作者，我們照射獨立的納米粒子直到我們可以在特定的泵浦強度下獲得雷射產生的門檻值。然後，這一納米粒子開始如同典型的雷射器一樣工作。我們展示了這一納米雷射器可以在激發時運行至少一百萬次循環。
這一發展的獨一無二的納米雷射器不僅僅在於它的尺寸比較小。這一納米粒子的獨特的設計可以使得用於有效的限制受激發射能以提供足夠高的用於產生雷射的電磁場。
雷射產生的概念在門檻值的過程， Kirill Koshelev解釋說，他是ITMO大學的一名研究人員和該論文的一名作者，即，你採用雷射脈衝激發納米粒子，並且在一個外部的特定的門檻值的強度條件下，粒子開始產生雷射。如果你不能足夠好的限制光內腔，這裡就會不產生雷射發射。在前期的採用其他材料和系統進行實驗的時候，但採用的是類似的觀點，結果表明你可以採用第四或第五級的米氏共振，意味著共振時的內部材料的光波長適合在雷射產生的頻率的四倍或五倍的共振體積。我們的結果也表明當前實驗的粒子支撐第三級的米氏共振，此時的現象是以前從來沒有發現過的。換言之，我們在共振器的尺寸等於內部材料光波長的三倍的條件下可以製造出相干激勵的發射。
另外一個比較重要的事情就是不需要施加額外的壓力或在非常低的溫度下來讓納米粒子像雷射一樣來進行工作。所有的在研究中描述的效果均在一個常規的大氣壓下和室溫的條件下完成的。這使得這一技術特別的引人矚目，尤其是那些將目光聚焦在製造光學晶片，傳感器和其他使用光來進行傳輸和處理信息的器件，包括用於光學計算機的晶片。
這一雷射工作在可見光的範圍的好處在於其他所有的性能都是同等的，他們的尺寸小於具有同樣性能的紅色光和紅外光的雷射器。問題就是，這一小型的雷射器通常具有一個立方體的依賴於發射的波長，並且綠色光的波長是紅外波長的三分之一還要小，小型化的限制對綠色雷射就要好多了。這對製造超緊湊的光學計算系統組件來說是至關重要的。
文章來源: 「Room-Temperature Lasing from Mie-Resonant Non-Plasmonic Nanoparticles』 by Ekaterina Tiguntseva, Kirill Koshelev, Alexandra Furasova, Pavel Tonkaev, Vladimir Mikhailovskii, Elena V. Ushakova, Denis G. Baranov, Timur Shegai, Anvar A. Zakhidov, Yuri Kivshar and Sergey V. Makarov, 2 June 2020, ACS Nano.DOI: 10.1021/acsnano.0c01468