Группа исследователей из Калифорнийского университета в Беркли, Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (США) и Пекинского университета (Китай) создала лазер, излучение которого фокусируется в области размером 5 нм.

Структура «гибридного плазмонного волновода»

Как известно, минимальный диаметр пучка лазерного излучения ограничивается так называемым дифракционным пределом (половиной длины волны излучения). Недавно специалисты выяснили, что использование квазичастиц — поверхностных плазмон-поляритонов, которые возникают при взаимодействии фотонов и коллективных колебаний электронного газа на границе раздела сред (поверхностных плазмонов), — позволяет преодолеть это препятствие. Однако попытки применения поляритонов на практике не имели успеха, поскольку квазичастицы «исчезали» почти сразу после возбуждения (сказывалось влияние сопротивления металлов).

Авторы рассматриваемой работы нашли способ решения этой проблемы: они расположили полупроводниковую нанопроволоку из сульфида кадмия на серебряной подложке, отделив их друг от друга с помощью изолирующего слоя фторида магния толщиной всего 5 нм. «Нанопроволока одновременно выполняет функции усилителя и «удерживает» излучение в тончайшей изолирующей области», — говорит один из участников исследования Руперт Оултон (Rupert Oulton). Диэлектрический слой позволяет заметно увеличить время существования поляритонов; при облучении нанопроволоки структура (ученые назвали ее «гибридным плазмонным волноводом»), как показали эксперименты, генерирует лазерное излучение.

Г-н Оултон подчеркивает, что при создании лазера нового типа использовался обычный полупроводниковый материал, поэтому наладить массовое производство таких устройств будет довольно легко. В ближайшем будущем ученые планируют модифицировать предложенную конструкцию таким образом, чтобы для образования плазмонов можно было использовать не внешнее излучение, а электрический ток. «Я думаю, это не проблема, — заключает Руперт Оултон. — Оптическая накачка куда менее эффективна, нежели электрическая; самое сложное уже позади».

Напомним, что всего две недели назад другая научная группа объявила о создании наноразмерного лазера, функционирующего по схожему принципу.

Характеристики устройства (диаметр нанопроволоки d = 112 нм, длина — 33,7 мкм). На графике сверху представлен спектр излучения лазера при разных мощностях накачки. На нижнем графике серым выделена область перехода к генерации лазерного излучения.