Российские физики решили 60-летнюю проблему: создан первый электрический лазер на перовските

Ученые из Сколтеха (группа ВЭБ.РФ) совместно с коллегами из Университета ИТМО и НИУ ВШЭ впервые в мире продемонстрировали поляритонный лазер, работающий от прямой электрической накачки. Устройство создано на основе галогенидного перовскитного микрокристалла, выращенного из раствора. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Шестидесятилетняя проблема

Создание недорогих лазерных диодов, которые могли бы работать под непрерывным электрическим током, оставалось одной из ключевых целей полупроводниковой оптоэлектроники на протяжении 60 лет. Полупроводники, получаемые из раствора — органические материалы, квантовые точки и галогенидные перовскиты — представляют собой дешевую альтернативу сложным эпитаксиально выращенным кристаллам. Однако при высокой плотности тока традиционные светодиодные архитектуры перегревались и деградировали, что мешало созданию электрически управляемых лазерных диодов на их основе.

Научная группа Сколтеха нашла способ обойти это препятствие, используя уникальную физику экситон-поляритонов. Эти гибридные квазичастицы возникают при сильной связи между светом (фотонами) и связанными электрон-дырочными парами (экситонами) внутри оптического микрорезонатора. Благодаря своей бозонной природе поляритоны могут образовывать бозе-эйнштейновский конденсат и излучать когерентный лазерный свет при значительно более низких энергиях и плотностях заряда, чем в обычных полупроводниковых лазерах.

Как это работает

Исследователи интегрировали выращенный из раствора перовскитный пластинчатый микрокристалл с тонкопленочными электродами из однослойных углеродных нанотрубок внутри высокодобротного оптического микрорезонатора. Они применили специальный двухэтапный протокол криоохлаждения, который позволил контролируемо перераспределить подвижные ионы и сформировать стабильный «замороженный» PIN-диод. Это обеспечило эффективную инжекцию носителей заряда без разрушения кристаллической решетки перовскита.

Под непрерывным постоянным электрическим током устройство продемонстрировало поляритонную генерацию при рекордно низком пороговом токе — всего 60 микроампер. Как отмечает ведущий автор исследования, старший преподаватель Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Анатолий Пушкарев, сочетание химически инертных электродов из углеродных нанотрубок с подвижными галогенидными вакансиями в решетке перовскита позволило предотвратить нежелательные реакции на границе и преодолеть омический нагрев.

Старший научный сотрудник Степан Барышев добавил, что физический дефект, сформированный вблизи конца пучка углеродных нанотрубок, создает притягивающий потенциал для экситон-поляритонов и «захватывает» их. Ученые наблюдали три характерных признака конденсации: нелинейный рост интенсивности излучения, сужение спектральной линии и синий сдвиг лазерного излучения при превышении порогового тока.

Перспективы применения

В отличие от традиционных полупроводниковых лазерных диодов, требующих сложного и дорогого эпитаксиального выращивания, перовскитные микрорезонаторы можно изготавливать с помощью простой химии. Поляритонные лазеры работают при плотностях возбуждения значительно ниже порога моттовского перехода, что минимизирует энергопотребление и тепловыделение.

Как отметил научный руководитель исследования, заслуженный профессор Сколтеха Павлос Лагудакис, работа дает рецепт для создания нового класса электрически управляемых источников когерентного света на основе полупроводников, получаемых из раствора. Такие устройства могут найти применение в маломощных оптических соединениях для высокоскоростных вычислений, компактных когерентных источниках света на чипе, а также в энергоэффективных нейроморфных вычислительных системах и оптических логических схемах.