Нанолазеры – это специфичные лазерные устройства с размерами, меньшими длины волны испускаемого ими света (фотонов). Их габариты в трёх измерениях составляют сотни нанометров. При помощи нанолазеров можно создавать самые мельчайшие элементы для микроэлектронных приборов, таких как очень сложная вычислительная техника для разных лабораторий, медицинское оборудование и компоненты игровых приставок. Постоянное усложнение микроэлектроники требует создания всё более компактных компонентов. Однако лишь немногие такие установки способны производить их из-за ограничений по размерам. Несколько лет назад была предложена концепция нанолазера – источника излучения с размерами в единицы микрон. У большинства таких лазеров не удавалось различить режимы работы: при одних излучение было когерентным, при других – не отличалось от излучения светодиодов.
Исследователи из Московского физико-технического института определили условия, при которых излучение нанолазера становится по-настоящему лазерным. Результаты исследования опубликованы в журнале Optics Express.
Сегодня лазеры используются повсеместно, от бытовых приборов до медицины, промышленности и телекоммуникации. Несколько лет назад был создан новый тип лазеров — нанолазеры. По своему устройству нанолазеры похожи на обычные полупроводниковые лазеры на гетероструктурах, которые известны довольно давно. Отличие состоит в том, что резонатор нанолазеров имеет рекордно маленькие размеры: порядка длины волны света, который излучает нанолазер. Поскольку преимущественно такие структуры генерируют излучение в видимом и ближнем ИК-диапазоне, их размеры составляют около 1 микрометра. Уже в ближайшем будущем эти устройства станут частью интегральных оптических схем, которые позволят на порядки ускорить производительность процессоров и видеокарт путем замены части металлических межсоединений на оптические. Кроме того, это должно привести к уменьшению энергопотребления компьютеров — аналогично тому, как замена проводных линий передачи данных на оптоволоконные позволила ускорить интернет и существенно повысить энергоэффективность. Такое применение нанолазеров далеко не единственное. Ведутся исследования по применению нанолазеров в составе химических и биологических сенсоров микрометровых размеров, наноразмерных датчиков механического напряжения, а также для управления нейронами в телах живых организмов и человека.
Чтобы некоторый источник излучения можно было назвать «лазером», необходимо, чтобы он соответствовал ряду требований, основным из которых является когерентность излучения. С когерентностью сильно связано другое ключевое свойство лазеров — наличие порога генерации. При токах накачки ниже порогового значения излучение активной среды лазера в основном спонтанное, а его свойства ничем не отличаются от излучения светодиодов. По достижении порогового тока свойства излучения меняются, оно становится когерентным. У обычных лазеров при этом спектр излучения становится узким и резко возрастает выходная мощность. Последнее свойство дает простой способ поиска порога генерации лазера, используя зависимость выходной мощности излучения лазера от тока накачки (см. рисунок 2А).
Рисунок 2. Зависимость выходной мощности излучения от тока накачки для макроскопического (обычного) лазера (А) и для нанолазеров (Б) при заданной температуре. Предоставлено авторами исследования
Многие нанолазеры ведут себя точно так же, как и обычные, макроскопические лазеры: у них существует пороговый ток. Однако существуют и нанолазеры, у которых невозможно найти порог генерации на выходной характеристике (зависимости мощности от тока накачки), поскольку она не имеет особенностей (красная линия на рисунке 2Б). Такие нанолазеры назвали «беспороговыми». Возникает вопрос: при каком токе излучение становится лазерным, то есть когерентным?
Проще всего на этот вопрос было бы ответить, просто измерив когерентность. Но, в отличие от спектра и выходной мощности, когерентность очень тяжело измерить, поскольку измерительная аппаратура должна регистрировать колебания интенсивности на интервалах времени в триллионные доли секунды, что соответствуют динамике внутренних процессов в нанолазере. Андрей Вишневый и Дмитрий Федянин, сотрудники лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, разработали метод определения степени когерентности излучения нанолазера по его основным параметрам. Это позволяет избежать технически сложных измерений когерентности. Они установили, что даже «беспороговый» нанолазер имеет вполне определенный пороговый ток, выше которого излучение становится когерентным. Более того, этот пороговый ток можно найти у любого нанолазера (рисунок 2Б), причем, что удивительно, он никак не связан ни с особенностями выходной характеристики, ни с уменьшением ширины спектра излучения нанолазера, характерных для макроскопических лазеров.
«С точки зрения широкого круга физиков, полупроводниковый нанолазер — это обыкновенный лазер, только маленького размера. Однако, изучая когерентность таких нанолазеровов, мы выяснили, что эти устройства на фундаментальном уровне имеют очень мало общего с обычными, макроскопическими лазерами», — отмечает Андрей Вишневый.
Расчет когерентности — довольно трудоемкая задача, однако исследователи смогли получить простое приближенное выражение для порогового тока нанолазеров. С его помощью каждый исследователь, занимающийся нанолазерами, сможет быстро оценить пороговый ток в изготовленной им структуре. Расчеты, проведенные авторами публикации, показали, что во многих работах, посвященных нанолазерам, порог когерентности достигнут не был, во многом из-за того, что реальный пороговый ток был намного выше, чем предполагалось (рисунок 3). А вот в нанолазерах, предназначенных для передачи данных, порог когерентности может быть не достигнут по другой причине. При повышении тока накачки лазер нагревается, и когда нагрев становится слишком сильным, дальнейшее повышение тока накачки становится невозможным. Таким образом, при проектировании нанолазеров для практических приложений необходимо учитывать их нагрев.
Результат, полученный Андреем Вишневым и Дмитрием Федяниным, позволяет заранее предсказать, когда излучение нанолазера любой конструкции становится когерентным. Это позволит разработать и использовать системы охлаждения, соответствующие рабочему току накачки, и получить практичные наноразмерные источники когерентного излучения.
Рисунок 3. Зависимость порогового тока в нанолазере от температуры. Зеленая кривая — найденная по выходной характеристике, красная — рассчитанная по когерентности излучения, синяя — даваемая приближенной формулой. Когда пороговый ток по выходной характеристике превосходит найденный по приближенной формуле, лазер становится «макроскопическим»
Исследование поддержано грантом РНФ, грантом Президента Российской Федерации и Министерством образования и науки Российской Федерации.
Учёные из ИТМО разработали рекордно маленький нанолазер для сверхкомпактных чипов
Учёные ИТМО побили свой же рекорд по величине самого компактного в мире нанолазера. Специалистам удалось уменьшить размер наночастицы с 310 нм до 200 нм. По словам разработчиков, установка работает при комнатной температуре, а увидеть излучаемый лазером зелёный свет можно в стандартном оптическом микроскопе. Новая разработка поможет в создании мельчайших деталей для цифровых микроустройств, приборов для анализа показателей здоровья, и позволит повысить качество цветопередачи экранов в очках виртуальной реальности.
Нанолазеры представляют собой лазеры, размер которых меньше длины волны света или фотона, излучаемого ими. Величина лазеров во всех трёх пространственных измерениях исчисляется в сотнях нанометров. С помощью этих устройств создаются мельчайшие детали для микроэлектродных приборов. К таким приборам относится, например, сложная вычислительная техника для лабораторий, медицинские приборы и отдельные составляющие игровых приставок.
Учёные ИТМО предложили новые технологии для создания нанолазеров, соответствующих озвученным требованиям. Разработка представляет собой наночастицу перовскита (созданный в лаборатории материал с химическим составом CsPbBr3) в форме кубоида. Этот материал изучается в университете с 2017 года. За время изучения исследователям удалось доказать, что материал стабилен, имеет высокий коэффициент оптического усиления (позволяет использовать энергию света максимально эффективно), и лучше всего работает в зелёном спектре.
Как объяснили специалисты ИТМО, долгое время озвученный диапазон длин волн был проблемным для создания компактных лазеров, особенно в масштабах производства. Этой части видимого спектра даже дали название green gap («зелёная яма/пробел»). Учёным с помощью перовскита удалось разрешить этот вопрос. Это открыло возможности для ещё большей компактизации нанолазера, так как длина волны зелёных фотонов в три раза меньше инфракрасных, используемых в классических микролазерах.
«Ключевая идея предложенного дизайна нанолазера — использование нового механизма его работы за счёт выстраивания сильной связи “свет-вещество”. Это помогает значительно снизить порог его “включения”. Излучение нанолазера имеет направленный характер, что позволяет эффективно собирать его в нашей оптической схеме и регистрировать на лабораторном спектрометре (прибор для фиксации, обработки и анализа волн света)» – Сергей Макаров Руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники ИТМО.
На данном этапе исследований учёным удалось разместить частицу перовскита на металле. После этого можно создать установку нанолазера, работа которого будет активироваться электричеством, а не светом, как это происходит сейчас.
Нанолазеры и биосенсоры – будущее рождается в Долгопрудном
Лаборатория нанооптики и плазмоники МФТИ открылась в 2008 году. Здесь сделали графеновые биосенсоры, а сейчас работают над созданием нанолазеров, ищут способы ускорить компьютеры и при этом успевают заниматься популяризацией науки, снимать видеоролики о жизни лаборатории и участвовать в стендап-поединках молодых ученых. Андрей Вышневый, научный сотрудник: — Закончив Физтех, я попал в Институт теоретической физики им. Ландау. Исследования там были интересные, но не было условий, чтобы заниматься полноценной научной работой.
Днем я подрабатывал, чтобы обеспечивать себя, а по вечерам приходил домой и садился решать задачи — наука была скорее моим хобби. Лаборатория нанооптики и плазмоники — это полноценное место работы с достойной зарплатой. При этом я четко понимаю, чем важна проблема, которую я решаю, как решение поможет людям.
Область исследований
Алексей Арсенин, заместитель заведующего лабораторией: — Человеку, не знакомому с областью наших исследований, сложно объяснить, чем мы занимаемся. Прежде чем приступать к проблеме, мы обязательно задаем себе вопрос: «Зачем это нужно?», поэтому гораздо проще рассказать, какие задачи мы хотим решить и как наша работа изменит мир. Осознание того, что делаешь что-то важное, — лучшая мотивация, это очень помогает в работе. 
Задача 1: создание нанолазеров
Нанолазерами называют когерентные источники оптического излучения, размеры которых составляют сотни нанометров. Существующие на сегодняшний день образцы имеют массу недостатков и не могут быть полноценно внедрены в работу. Одна из задач лаборатории — создать компактное лазерное устройство, работающее при комнатной температуре от миниатюрных источников питания. Такие компактные устройства найдут свое применение в самых разных областях, например в оптогенетике, медицине и электронике.
Задача 2: разработка однофотонных источников для защищенных линий связи
Однофотонные источники необходимы для постройки надежных каналов квантовой связи и передачи информации. С помощью такого источника, приемника и обычного оптоволокна можно будет посылать сообщения, которые невозможно незаметно перехватить. Основная задача — сделать такой источник действительно миниатюрным и работающим при комнатной температуре.
Задача 3: повышение чувствительности и миниатюризация биосенсоров с помощью графена
Биосенсоры позволяют обнаруживать малые концентрации биологически важных молекулярных объектов и исследовать их химические свойства. Недостаточно высокая чувствительность существующих биосенсоров ограничивает их применение в фармацевтике, а большие размеры не позволяют встраивать в одежду, носимую электронику и даже бытовые приборы. Задачу повышения чувствительности мы решаем с помощью химически активных слоев оксида графена, а задачу миниатюризации — использованием наноразмерных плазмонных волноводов.
Задача 4: разработка новых численных методов для задач нанооптики
Компьютерное моделирование уже давно стало основой любых физических исследований, будь то расчет гравитационных волн или проектирование антенн смартфонов. Это очень интересная область, в которой сочетаются физика, прикладная математика и программирование. В нашей лаборатории разрабатываются методы для высокоэффективных расчетов и оптимизации дифракционных решеток, светодиодов, солнечных элементов и концентраторов, а также установок фотолитографии в ультрафиолете, являющейся основой производства большинства современных электронных схем.
Лаборатория нанооптики и плазмоники входит в состав центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ, созданного в 2015 году. В рамках этого центра открываются новые лаборатории, которые занимаются смежными проблемами. Так, в этом году была организована лаборатория оптоэлектроники двумерных материалов, ее возглавил Дмитрий Свинцов, несколько лет до этого проработавший в лаборатории нанооптики и плазмоники. Наработок, накопившихся за время работы Дмитрия, хватило на открытие независимой лаборатории.
Популяризация науки
Ученые охотно общаются с журналистами, у лаборатории есть сайт, а также аккаунты в инстаграме, твиттере и на фейсбуке. Там сотрудники рассказывают о своих исследованиях, в основном в формате коротких видео. Здесь же можно найти и тексты исследований — в случае, если специалист решит ознакомится с ними подробнее. Как и при любой популяризации, важно сохранить тонкую грань: с одной стороны, информация должна быть понятна людям без специальной подготовки, с другой — человек, который разбирается в данной области, не должен посчитать это крамолой.
Дмитрий Федянин, сотрудник лаборатории: — Мы — физики, а физика — наука о жизни, поэтому мы должны уметь делать абсолютно все. А так как мы хотим быть хорошими физиками, то и наукой заниматься должны хорошо и ни в коем случае не искажать истины, даже общаясь с аудиторией на простом, обывательском языке. Популяризировать науку — важно и правильно, главное — не врать, пытаясь рассказать о чем-то доступно, и балансировать между Сциллой популярности и Харибдой мракобесия.
Сотрудники лаборатории неоднократно принимали участие в научных боях Science Slam: за 10 минут неподготовленному зрителю нужно изложить суть собственного исследования в максимально доступной форме. С учетом того что само исследование может длиться годы, задача с первого взгляда кажется неподъемной. Пока готовишься, становится ясно, что главное — объяснить результат и привязать его к бэкграунду аудитории, к уже имеющимся знаниям.
Юрий Стебунов, который занимается разработкой биосенсоров, объяснял слушателям принцип их работы на примере собачьего носа — самого чувствительного природного биосенсора, а результаты исследования иллюстрировал актуальной политической повесткой. Сам Юрий говорит о научных боях как о двустороннем процессе: публика получает новые знания, а ученый — навыки публичной речи. Это помогает и в общении с коллегами, и при взаимодействии с потенциальными инвесторами — чиновниками и бизнесменами, которые, как правило, не обладают глубокими научными познаниями.
Коллектив
Сотрудники лаборатории нанооптики и плазмоники — одни из тех, кого называют geeks — гиками. Не теми, которые выбираются на GeekPicnic — это все-таки развлекательное мероприятие, а такими, как, скажем, Илон Маск, который, чтобы ускорить производство, на заводе Tesla спит в спальном мешке. Ученые увлечены своими исследованиями и занимаются научной работой часто в ущерб свободному времени.
Успех в большинстве открытий, сделанных в лаборатории, определила коллективная работа. Самое главное, что сотрудники лаборатории делают вместе — пишут научные статьи. Это занятие проходит в горячих обсуждениях и постоянных переговорах и консультациях — настоящая творческая работа. В результате между коллегами складываются теплые дружеские отношения, а научный руководитель часто становится добрым другом.
По образцу западных университетов в лаборатории каждую неделю проходят семинары, на которых обсуждаются последние исследования в области научных интересов лаборатории. Эти дискуссии помогают не только быть в курсе последних исследований в своей области, но и поддерживать творческую атмосферу в коллективе.
Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов:
— Я теоретик. И до лаборатории нанооптики и плазмоники, в которой я раньше работал, мне казалось, что теоретик вполне может работать один, писать дома формулы на бумажке. В лаборатории нанооптики и плазмоники я научился работать в коллективе и впервые понял, насколько продуктивной может быть совместная работа.
График работы
В лаборатории нет жесткого графика, но при этом работа далеко не ограничивается восемью часами в день. Такой подход помогает избежать ненужных формальностей, создать максимально комфортные условия для каждого, а значит — добиться лучшего результата, ведь для ученых, как и для представителей всех творческих профессий, важно работать в комфортном для себя режиме.
Дмитрий Федянин: — Если вы решили заниматься наукой и попали на свое место, в старости вы сможете сказать, что не проработали ни одного дня, — работа станет для вас удовольствием. Это идеал, к которому мы стремимся в нашей лаборатории. Конечно, нужно еще выполнять определенный объем монотонной работы. От этого никуда не деться, если хочешь достичь чего-то значимого. Вспомните хотя бы сказку про Кощея Бессмертного — нельзя просто так взять и убить Кощея: смерть его на конце иглы, игла в яйце, яйцо в утке, утка в зайце, заяц в сундуке, сундук на высоком дубе, а дуб неведомо где. Так и в науке.
Трудоустройство
Чтобы попасть на собеседование в лабораторию, напишите на почту nano@phystech.edu. Сложность собеседования зависит от уровня подготовки кандидата: для бакалавров достаточно знаний из курса общей физики — электродинамики и оптики. От аспирантов требуются знания из смежных областей: оптики, физики полупроводников и пр. Сотрудников набирают не только из МФТИ, но и других институтов физического профиля. Лаборатория нестандартно подходит к поиску коллег: размещает объявления в социальных сетях, делает рассылки по ведущим университетам, расклеивает объявления в кампусе Физтеха и даже снимает промо-ролики для будущих кандидатов.
Зарплата молодого научного сотрудника со степенью кандидата наук — от 75 000 рублей. Лаборатория находится в Долгопрудном — 20 минут на электричке от метро «Тимирязевская», для желающих есть возможность поселиться в общежитии.
Авторы: Игнатий Цукергохер @IgnatChuker,
