Физикам из Национального Института Стандартов и Технологии (NIST) и Стенфордского и Северо-западного Университетов удалось создать твердотельный лазер микронного размера, в котором одна квантовая точка может играть ключевую роль в работе всего устройства.

При правильной настройке такие микролазеры могут работать в субмикроваттном диапазоне энергий, что может позволить использовать их в телекоммуникациях, оптических вычислительных схемах и измерительных устройствах. Около десяти лет назад исследователи впервые сумели изготовить лазер на квантовых точках – наноразмерных областей в кристалле, способных захватывать электроны и дырки. Когда пара электрон–дырка рекомбинирует, излучается свет строго определенной длины волны. Такие лазеры замечательны не только тем, что имеют очень малые размеры, но и тем, что могут включаться уже при очень низкой мощности.

В недавнем эксперименте группа изготовила микродисковый лазер из слоя арсенида индия на поверхности арсенида галлия. Различие кристаллической структуры двух веществ приводит к образованию островков арсенида индия размером около 25 нм, которые и служат квантовыми точками. Затем, с помощью травления, ученые получили диски диаметром 1.8 мкм на колоннах из арсенида галлия, содержащие около 130 квантовых точек.

Размер диска выбирался таким образом, чтобы создать эффект «шепчущей галереи», когда инфракрасный свет с длиной волны около 900 нм распространяется вдоль края диска. В этой резонансной области содержится около 60 квантовых точек, которые и образуют лазер. Испускание света вызывается освещением на другой, нерезонансной длине волны.

Однако, микроскопические различия размеров квантовых точек и их изменение с температурой приводит к тому, что их резонансные частоты слегка различаются и зависят от температуры. Таким образом, в каждый момент времени максимум лишь одна квантовая точка имеет характеристическую длину волны, совпадающую с резонансной.

При изменении температуры между 10 и 50 К исследователи неизменно наблюдали лазерное излучение, хотя для включения лазера могла требоваться разная мощность. При любой температуре найдутся квантовые точки, характеристические частоты которых близки к резонансной, ну а при некоторых значениях температуры частота одной точки точно совпадает с резонансной, что вызывает лазерное излучение уже при минимальном внешнем воздействии. Не то, чтобы это был лазер на единичной квантовой точке – но в таком устройстве именно одна квантовая точка ответственна за весь эффект.

Василий Артюхов