Создание ультракомпактных фотонных и оптоэлектронных устройств следующего поколения будет невозможно без наличия высокоэффективного миниатюрного источника света, лазера. Ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли разработали и изготовили опытные образцы достаточно уникального источника света – лазера, носителями энергии в котором являются квазичастицы, называемые экситонами, который изготовлен из «плоского» материала, дисульфида вольфрама, помещенного внутрь специального дискового микрорезонатора. И этот лазер за счет необычного принципа его работы способен вырабатывать когерентное излучение в диапазоне видимого света достаточно высокой яркости.

В современном мире нанотехнологий и электроники одними из самых перспективных материалов считаются двухмерные металлические дихалькогениды (transition metal dichalcogenides, TMDC). Приборы, созданные с использованием таких материалов, обладают высокой эффективностью с точки зрения требующейся им для работы энергии, ведь электроны движутся в таких материалах намного быстрее, нежели в традиционном кремнии. В отличие от графена, у TMDC-материалов имеется естественная электронная запрещенная зона, при помощи которой электрическая проводимость материала может быть переключена, при помощи определенного воздействия материал из проводника может превратиться в диэлектрик и наоборот.

Дисульфид вольфрама является одним из самых ярких представителей семейства TMDC-материалов, уникальные свойства которого делают его идеально подходящим для использования в фотонике и оптоэлектронике. Однако, процессы, которые происходят в этом материале при излучении им когерентного света, были не до конца понятны ученым, что сдерживало его практическое применение.

Рис. 1.

Проводя исследования, группа профессора Сяна Занга (Xiang Zhang), директора Отдела материаловедения лаборатории Лоуренса, создала микрорезонатор на основе "микровпадины, использующей эффект "шепчущей галереи"".

Плазмоны, электромагнитные волны, распространяющиеся по поверхности металла, попадают во впадину микрорезонатора и многократно усиливаются, что приводит к увеличению общей эффективности светоизлучающего устройства. Но, создавая новый лазер, исследователи приспособили технологию микрорезонансной впадины для ее работы с экситонами, квазичастицами, состоящими из связанной пары электрон-дырка, которые образуются под воздействием фотонов света.

«Создавая новый экситонный лазер мы осадили на подложку металлическое покрытие и разработали микродисковый резонатор, который использует эффект шепчущей галереи. За счет использования определенных уловок этот эффект проявляется с максимальной эффективностью по отношению к экситнонам, а не к плазмонам, и это дало высокое значение фактора Q с низким расходом энергии» – рассказывает профессор Занг, – «Когда монослой дисульфида вольфрама, являющийся рабочим телом лазера, зажат между двумя диэлектрическими слоями резонатора, мы получаем когерентное излучение, подавая на эту структуру весьма небольшой электрический потенциал».

В дополнение к фотонике и оптоэлектронике, технология плоского экситонного лазера может найти применение еще в одной области – в валлитронике (valleytronic). Технологии из этой области используют передачу и обработку цифровой информации, закодированной в виде импульса вращения электрона, который перемещается через кристаллическую решетку материала, как волна с несколькими энергетическими пиками и минимумами. И сейчас валлитроника рассматривается в качестве альтернативы спинтронике и некоторым видам квантовых вычислений.