Группа исследователей из США разработала новый нанолазер, функционирующий при комнатной температуре. В основе устройства – массивы металлических наночастиц, окруженные усиливающей средой, состоящей из органических молекул, возбуждаемых при помощи света. Описанное устройство, которое работает за счет нового типа фотон-плазмонного возбуждения, получило название «плазмонной решетки». По мнению ученых, в будущем оно поможет развитию следующего поколения информационных технологий, в которых фотоны, а не электроны, станут основными компонентами вычислительных схем.

Уже в ближайшее время уменьшение размера фотонных и электронных компонент будет иметь решающее значение для широкого круга технологических направлений, от сверхскоростной обработки данных, до методик их сверхплотного хранения.

Среди всего множества устройств весьма востребованы когерентные наноразмерные источники света, такие как лазеры.

Их достаточно малые размеры позволяют справляться с ограничениями дифракционного предела света, открывая перед инженерами новые перспективы. Не удивительно, что в направлении разработки таких устройств работает множество научных групп по всему миру. Не так давно о принципиально новых результатах сообщила группа из США.

Рис. 1. Сравнение параметров излучения наночастиц в «обычном» состоянии и в созданной учеными структуре.

Новый лазер, разработанный группой ученых из Northwestern University, состоит из наночастиц золота и серебра, которые обеспечивают поддержание локализованных оптических полей, простирающихся на расстояние порядка десятков нанометров от их поверхности.

Когда эти наночастицы формируют двумерный массив, они могут взаимодействовать друг с другом, в результате чего образуется новый тип квазичастиц – фотон-плазмонов – формирующих так называемую плазмонную решетку (плазмоны – это коллективные колебания электронов на поверхности металла). В предложенной учеными конструкции нанолазера массивы наноточек окружены усиливающей средой, состоящей из полиуретанового полимера, легированного молекулами красителя.

При определенных фотонных состояниях, плазмонная решетка демонстрирует колебания, которые могут быть усилены за счет оптического возбуждения и передачи энергии (через механизм обратной связи) от молекул красителя для генерации когерентного лазерного излучения.

Ученые отмечают, что,

в отличие от множества создававшихся до сих пор плазмонных лазеров, их устройство отличается массой преимуществ, в частности, узкой направленностью светового пучка.

Как они считают, опубликованная ими в журнале Nature Nanotechnology работа является важным мостом между нанофотоникой и оптикой. За счет своих размерных преимуществ, а также быстрой реакции на внешние воздействия, созданное ими устройство может найти широкое применение в высокоскоростных интегрированных оптических вычислениях, наноразмерной спектроскопии, а также инструментах сверхплотного хранения данных.

В будущем команда планирует продолжить работу над усовершенствованием механизма генерации света. В отдаленной перспективе ученые планируют перейти от двумерных структур из наночастиц к трехмерным. Кроме того, они заинтересованы в том, чтобы изменить схему, внеся в нее полупроводниковые материалы, чтобы иметь возможность передавать возбуждение не только с помощью света, но и посредством электричества.

Своей публикацией группа надеется привлечь к сотрудничеству специалистов из области фотоники и лазеров, занимающихся разработкой наноразмерных компонент для оптических схем, чтобы совместными усилиями строить новые устройства для обработки информации.