Kwantowe kropki krzemowe – nowa przyszłość laserów

Obecne technologie diod laserowych wykorzystują względnie drogie próżniowe techniki epitaksjalne. Od ponad dekady naukowcy próbowali udoskonalić tę metodę lub zastąpić ją innym rozwiązaniem. Niedawno badacze z Los Alamaos National Laboratory uzyskali przełomowe wyniki – wzmocnienie optyczne z wykorzystaniem błon pokrytych kropkami kwantowymi wykonanymi z nanokryształów, które można otrzymać z roztworu chemicznego. To osiągnięcie może doprowadzić do powstania laserów o znacznie wyższej sprawności i mocy. Mogłyby one również pracować w znacznie szerszym zakresie długości fal. Umożliwiłoby to ponadto realizację nowych zastosowań, takich jak laserowe moduły RGB dla projektorów i wyświetlaczy wysokiej rozdzielczości, a także udoskonalenie analizy chemicznej dzięki wielu mikro-laserom o różnych długościach fal.

Grafika przedstawia obraz udoskonalonej kropki kwantowej pod mikroskopem elektronowym oraz jej model (po lewej), schemat struktury układu obrazujący skupienie przepływu prądu (w środku) oraz działające urządzenie. Źródło: lanl.gov

„Wzmocnienie optyczne za pomocą elektrycznie pobudzonych kropek kwantowych stało się rzeczywistością.” – oznajmił Victor Klimov, kierownik zespołu ds. kropek kwantowych w Los Alamos. „Pracowaliśmy nad stworzeniem nowego aktywnego medium laserowego przy pomocy kropek kwantowych wytworzonych w metodą syntezy chemicznej – choć panuje powszechne przekonanie, że wywołanie akcji laserowej w kropce kwantowej poprzez pobudzenie elektryczne jest po prostu niemożliwe. Jednak wykorzystując nasze specjalnie zaprojektowane kropki, możemy uniknąć strat energii na skutek samojonizacji (rekombinacji Augera).”

Zespołowi z Los Alamos udało się zademonstrować wzmocnienie światła w stałym nanokrysztale poprzez pompowanie prądem stałym. Opracowując proces, który prowadzi do utworzenia materiału zmiennego w sposób ciągły wzdłuż kierunku radialnego, naukowcom udało się usunąć gwałtowne zmiany w strukturze atomowej, na których następowała samojonizacja.

Samojonizacja powodowała zanik wzmocnienia optycznego i wytracanie energii w postaci ciepła – to główna wada nanokryształowych kropek kwantowych, znana od dłuższego czasu. Sprawiało to, że akcja laserowa przebiegała bardzo nieefektywnie. Praca naukowa opublikowana w Nature Materials w 2000 roku, również autorstwa Klimova, jako pierwsza zaprezentowała możliwość wzmocnienia optycznego pomimo występowania rekombinacji Augera. Stanowiła ona bazę, która ostatecznie doprowadziła do najnowszego odkrycia.

Kolejnym niezwykle ważnym odkryciem dokonanym w Los Alamos była stworzenie układu skupiającego prąd. Nowa architektura pozwoliła uzyskać znacznie wyższe gęstości prądu w procesie pompowania, co przełożyło się na wyższe wzmocnienie optyczne. Stosując zwężające się elektrody wstrzykujące ładunek, badacze byli w stanie ograniczyć powierzchnię przewodzącą prąd do rozmiaru 100 mikronów. Pozwoliło to skoncentrować prąd, aby zwiększyć wzmocnienie światła bez uszkadzania kropek kwantowych lub warstw wstrzykiwania.