Теперь они задокументировали этот прорыв в журнале Nature Communications, а в Nano Letters раскрыли дальнейшие результаты, демонстрирующие улучшенные оптические и электронные характеристики.
«Нанопроволочные лазеры могут стать следующим шагом в разработке меньших, более быстрых и более энергоэффективных источников света», — говорит проф. Джонатан Финли, директор Института Уолтера Шоттки ТУМ.
Возможные применения включают встроенные оптические межсоединения или даже оптические транзисторы для ускорения работы компьютеров, интегрированную оптоэлектронику для оптоволоконной связи и лазерные массивы с управляемыми лучами. «Но нанопроволоки также немного особенные, — добавляет Финли, — в том, что они очень чувствительны к окружающей среде, имеют большое отношение поверхности к объему и достаточно малы, например, чтобы проникнуть в биологическую клетку."Таким образом, нанопроволочные лазеры также могут оказаться полезными в экологических и биологических исследованиях.
Эти экспериментальные нанопроволочные лазеры излучают свет в ближнем инфракрасном диапазоне, приближаясь к «сладкому пятну» для оптоволоконной связи. Их можно выращивать непосредственно на кремнии, открывая возможности для интегрированной фотоники и оптоэлектроники.
И они работают при комнатной температуре, что является необходимым условием для реальных приложений.
Создано специально для лаборатории и ориентировано на промышленность
Какими бы крошечными они ни были — в сто или тысячу раз тоньше человеческого волоса — лазерные нанопроволоки, продемонстрированные на ТУМ, имеют сложное поперечное сечение «ядро-оболочка» с профилем из различных полупроводниковых материалов, практически атом за атомом.
Специальная структура ядро-оболочка нанопроволок позволяет им действовать как в качестве лазеров, генерирующих когерентные световые импульсы, так и в качестве волноводов, подобных оптическим волокнам. Как и обычные коммуникационные лазеры, эти нанопроволоки сделаны из так называемых полупроводников III-V, материалов с правильной "шириной запрещенной зоны" для излучения света в ближнем инфракрасном диапазоне.
Уникальное преимущество, как объясняет Финли, заключается в том, что геометрия нанопроволоки «более снисходительна, чем объемные кристаллы или пленки, что позволяет вам комбинировать материалы, которые вы обычно не можете комбинировать.«Поскольку нанопроволоки возникают из основания диаметром всего от десятков до сотен нанометров, их можно выращивать непосредственно на кремниевых чипах таким образом, чтобы снимать ограничения из-за несоответствия кристаллической решетки — таким образом, получая высококачественный материал с потенциалом высокой производительности.
Сложите эти характеристики вместе, и станет возможным представить себе путь от прикладных исследований к множеству будущих приложений. Однако остается ряд серьезных проблем.
Например, лазерное излучение нанопроволок TUM было стимулировано светом — как и о лазерах на нанопроволоках, о которых почти одновременно сообщила группа из Австралийского национального университета, — однако для практических применений, вероятно, потребуются устройства с электрическим вводом.
Нанопроволочные лазеры: технологический рубеж с яркими перспективами
Недавно опубликованные результаты в значительной степени получены благодаря группе ученых, которые начинают свою карьеру под руководством доктора. Грегор Коблмюллер и другие ведущие исследователи на пороге новой области. Докторанты, в том числе Бенедикт Майер, Даниэль Рудольф, Стефани Моркоттер и Джулиан Треу, объединили свои усилия, работая вместе над фотонным дизайном, ростом материала и характеристикой с использованием электронной микроскопии с атомным разрешением.
Текущие исследования направлены на лучшее понимание физических явлений, действующих в таких устройствах, а также на создание лазеров на нанопроволоке с электрическим инжектированием, оптимизацию их характеристик и интеграцию их с платформами для кремниевой фотоники.
«В настоящее время очень немногие лаборатории в мире имеют возможность выращивать материалы и устройства на основе нанопроволоки с требуемой точностью», — говорит соавтор профессор Проф. Герхард Абстрейтер, основатель Института Вальтера Шоттки и директор Института перспективных исследований ТУМ. «И все же, — объясняет он, — наши процессы и конструкции совместимы с методами промышленного производства для вычислений и коммуникаций.
Опыт показывает, что сегодняшний эксперимент с героем может стать коммерческой технологией завтрашнего дня, и часто так и происходит."
Это исследование было частично поддержано German Excellence Initiative через TUM Institute for Advanced Study и Excellence Cluster Nanosystems Initiative Munich (NIM); Немецким исследовательским фондом (DFG) через Центр совместных исследований SFB 631; Европейским Союзом через Европейский грант на реинтеграцию Марии Кюри, проект QUROPE SOLID и сеть INDEX ЕС-MC; наградой CINECA по инициативе ISCRA; и грантом Generalitat Valenciana.