Перовскитный лазер без внешней оптической накачки: прорыв российских физиков

Российские физики сделали значительный шаг в области лазерных технологий, разработав перовскитный лазер, который функционирует без необходимости внешней оптической накачки. Это достижение, опубликованное в журнале Nature, открывает новые горизонты для использования перовскитов в лазерной технике и других областях.

Принципы работы лазеров

Лазеры, как известно, представляют собой устройства, которые излучают сфокусированный монохроматический пучок света. Для их работы требуется активная среда, которая сначала накачивается энергией, а затем усиливает возникающее излучение в оптическом резонаторе. В современных лазерах чаще всего используется электрическая накачка, что делает их более компактными и удобными для интеграции в электронные устройства.

Проблемы с перовскитными лазерами

Перовскиты, особенно галогенидные, представляют собой многообещающие кандидаты для создания лазеров благодаря своей способности к дешевому производству из растворов. Однако, несмотря на их потенциал, создание перовскитного лазера с прямой электрической накачкой сталкивается с множеством проблем:

Ионная миграция: Под действием электрического поля в перовските начинается миграция ионов, что приводит к деформации решетки и коррозии электродов.

Проблемы с теплопроводностью: Перовскитные кристаллы плохо проводят тепло, что приводит к перегреву при больших токах. Это, в свою очередь, усиливает безызлучательную рекомбинацию, когда электроны и дырки теряют энергию в виде тепла, а не света.

Нарушение баланса носителей: Охлаждение не всегда помогает, так как оно может увеличить сопротивление и нарушить баланс между электронами и дырками.

Решение от российских ученых

Под руководством Анатолия Пушкарева и Павлоса Лагудакиса из Университета Сколково, российские физики нашли оригинальное решение для преодоления этих препятствий. Они разместили микрокристалл перовскита CsPbBr3 между двумя электродами из одностенных углеродных нанотрубок и встроили устройство в оптический микрорезонатор, состоящий из двух брэгговских зеркал. При включении электрического поля в перовските начиналась ионная миграция, что приводило к образованию p–i–n-перехода. Этот переход облегчал инжекцию носителей заряда, однако продолжение действия поля ухудшало работу устройства. Чтобы остановить негативные эффекты миграции, ученые применили двухэтапное охлаждение: 1. Первоначально устройство охладили до 280 кельвин, замедляя движение ионов. 2. Затем температуру снизили до 8 кельвин, что позволило "заморозить" p–i–n-переход на нужной стадии.

Поляритоны и лазерная генерация

Оптический микрорезонатор обеспечивал сильное взаимодействие света с экситонами в перовските. Охлаждение стабилизировало экситоны, что привело к образованию поляритонов — квазичастиц, объединяющих свойства света и внутреннего возбуждения вещества. Это взаимодействие позволило достичь режима, при котором лазерная генерация происходила при меньшей плотности носителей, чем в обычных полупроводниковых лазерах. При достижении порогового тока в 60 микроампер интенсивность излучения возросла на два порядка, и устройство начало испускать монохроматический зеленый свет. Таким образом, российские ученые смогли превратить ионную миграцию из проблемы в часть решения, позволив ионам сформировать p–i–n-переход, а затем "заморозив" его с помощью охлаждения.

Перспективы и применение

Хотя устройство пока работает только при экстремально низких температурах, предложенная стратегия может оказаться полезной и для других полупроводников, получаемых из раствора. Это открывает новые возможности для практического применения поляритонных лазеров и может привести к значительным улучшениям в области лазерной техники и электроники.