Физики из Национальной лаборатории Беркли впервые создали двумерный лазер — источник когерентного излучения, в котором излучает слой материала толщиной в один атом. Статья исследователей опубликована в Nature Photonics, а ее краткое изложение приводится на сайте Российского квантового центра.

Схема строения нового лазераИзображение: Yu Ye et al., Nature Photonics, 2015

Современные лазеры состоят из трех основных компонент: активной среды, системы накачки и оптического резонатора. Активная среда — это то, что непосредственно излучает. Система накачки — это система, сообщающая лазеру необходимую для излучения энергию. Наконец, резонатор — это устройство, которое с помощью явления резонанса позволяет получать достаточно мощный лазерный импульс.

Лазер – это источник так называемого когерентного излучения. Применительно к волнам это означает, что разность фаз колебаний в разных точках среды, где эти самые волны распространяются, не зависит от времени.

Полученный в работе лазер представляет собой «бутерброд», состоящий из моноатомного слоя дисульфида вольфрама (собственно, активная среда), зажатого между парой слоев диэлектрика. Толщина «бутерброда» составляет примерно 500 нанометров и располагается он на специальной подставке, чтобы излучение от него можно было зарегистрировать. Система накачки в опыте представляла собой другой лазер.

Самой интересной частью нового лазера, однако, является резонатор. Дело в том, что в слоях дисульфида возникают экситоны — квазичастицы, представляющие собой объединение дырки (то есть места в слое, лишенного заряда) и электрона, то есть переносчика заряда. По словам ученых, дисульфид вольфрама обладает замечательными свойствами: многие эффекты, связанные с экситонами, в нем выражены особенно ярко.

Авторам работы удалось добиться в своем резонаторе так называемого эффекта шепчущей галереи. Хорошо известно, что в некоторых круглых или эллиптических залах шепот хорошо распространяется вдоль стен, практически не достигая центра помещения. Это связано с формированием стоячей волны, которая прижимает колебания к стенам, усиливая их распространение.

На основе этого эффекта можно построить резонатор, но уже не для акустических, а для других типов волн и частиц (что, в принципе, одно и то же). При этом, как оказалось, подобные резонаторы могут быть очень маленькими. В июне 2015 года похожим образом удалось построить резонатор для плазмонов — квазичастиц, представляющих собой квант коллективного колебания электронного газа в кристаллической решетке.

Теперь, используя тот же принцип, ученые построили резонатор для экситонов. Именно эффект шепчущей галереи позволяет добиться высокого качества излучения. Ученые говорят, что их резонатор может найти применение в создании оптических компьютеров, где все операции будут выполняться с помощью фотонов, а не электронов, как сейчас.

Автор: Андрей Коняев