Розробка дозволить створити нове покоління оптичних мікроскопів для вивчення окремих біологічних молекул, а також знайде застосування в електроніці та комунікаціях, впевнені вчені.
Мініатюризація таких лазерів має межу, обумовлений здатністю світлових хвиль до дифракції - огибания перешкод, розмір яких становить половину довжини світлової хвилі.
Таким чином, порушити електрони в напівпровідниковому кристалі, що мають розміри менше декількох сотень нанометрів неможливо.
Основною деталлю нової розробки є використання так званих поверхневих плазмонів - колективних коливань електронів на поверхні металів - здатних випускати енергію своїх коливань у вигляді світлових хвиль.
Такі коливання можна порушити навіть на поверхні наночастинок металів і тим самим отримати джерело лазерного випромінювання, багаторазово менший за розмірами ніж довжина випускається їм.
Однак використовувати плазмони для генерації лазерного випромінювання дуже складно, так як збуджуються під дією світлових хвиль коливання електронів дуже швидко згасають і розсіюються, віддаючи свою енергію атомам кристалічної решітки металів.
Автори розробки - команда вчених під керівництвом професора Сяну Чжана з Каліфорнійського університету в Берклі використовувала гібридну конструкцію з застосуванням напівпровідникового кристала як джерело світла для збудження плазмонів на поверхні срібла.
У їх конструкції поверхню металу відокремлена від напівпровідника прозорою і не проводить електрику прошарком з фториду магнію завтовшки всього 5 нанометрів.
Освітлення напівпровідникового кристала світлом з довжиною хвилі 408 нанометрів (фіолетовий світло) призводить до випускання їм лазерного випромінювання з довжиною хвилі 489 нанметров (синьо-зелене світло) яке в подальшому посилюється за допомогою плазмонів на поверхні срібла і поширюється в обсязі прошарку з фториду магнію, що служить для них волноводом.
Таким чином ученим вдалося добитися створення джерела світла розміром всього 5 нанометрів.
Такий маленький джерело світла дозволяє обійти явище дифракції, а тому може бути застосований в оптичних мікроскопах нового покоління, за допомогою яких стане можливим вивчати такі маленькі об'єкти, як окремі біологічні молекули.
Крім того, подібне джерело лазерного випромінювання може стати основним компонентом обчислювальних машин і пристроїв телекомунікації, що використовують світлові хвилі і нанофотонні схеми маніпуляції окремими квантами світла замість електронів і напівпровідникових мікросхем.
Такі пристрої будуть набагато економічніше і ефективніше сучасної електроніки.
"Особливо важливо підкреслити, що цей гібридний плазмонний лазер, який ми продемонстрували, є твердотілим і може бути побудований на основі широко використовуваних технологій мікроелектроніки, а тому його легко інтегрувати в будь-фотонні мікросхеми", - сказав Волкер Соргер, аспірант в лабораторії Чжана.
Читайте найважливіші та найцікавіші новини в нашому Telegram
