ساخت کوچک‌ترین لیزر نیمه‌هادی جهان
ساخت کوچک‌ترین لیزر نیمه‌هادی جهان
مجله علمی ایلیاد - یک تیم بین‌المللی از محققان به سرپرستیِ محققانی از دانشگاه ITMO، خبر از تولید فشرده‌ترین لیزر نیمه‌هادی جهان داد که در دمای اتاق با دامنه‌ی مرئی کار می‌کند. بر اساس اعلام محققان، این لیزر نانوذره‌ای با اندازه‌ی تنها ۳۱۰ نانومتر است که می‌تواند در دمای اتاق نور سبز تولید کند. جزئیات این تحقیق در ACS Nano منتشر شده است.
امسال جامعه‌ی بین‌المللیِ متشکل از فیزیکدان‌ها سالگرد یکی از رویدادهای بسیار مهمی را جشن می‌گیرند؛ ۶۰ سال پیش در اواسط ماه مِه، فیزیکدان آمریکایی «تئودور میمن» توانست کارکردِ نخستین تولیدکننده‌ی کوانتوم نوری را به نمایش بگذارد؛ یعنی لیزر. حالا که ۶۰ سال از آن دستاورد گذشته است، تیمی بین‌المللی از دانشمندان مقاله‌ای را منتشر کرده‌اند که از تولید کوچک‌ترین لیزر نیمه‌هادی جهان حکایت دارد؛ بنابراین، نور سبزی که در اثر این لیزر تولید می‌شود، حتی با چشم غیرمسلح نیز قابل مشاهده است و می‌توان از میکروسکوپ نوری استانداردی هم برای مشاهده آن استفاده کرد.
اشاره به این نکته خالی از لطف نیست که دانشمندان در غلبه بر بخش سبزِ نوار مرئی به موفقیت رسیدند؛ نواری که برای نانو لیزرها دردسرساز بود. «سرگی ماکاروف» محقق ارشد مقاله و استاد دانشگاه در دانشکده فیزیک و مهندسی دانشگاه ITMO، می‌گوید: «در حوزه‌ی مدرن نیمه‌هادی‌های منتشرکننده‌ی نور، با مسئله‌ای تحت عنوان شکاف سبز روبه‌رو هستیم. شکاف سبز به این معناست که بازده کوانتومیِ مواد نیمه‌هادی معمولی که برای دیودهای منتشرکننده‌ی نور استفاده می‌شود، در بخش سبز طیف جای می‌گیرد. این مشکل باعث پیچیده‌تر شدنِ تولید نانو لیزرهایی می‌شود که در دمای اتاق کار می‌کنند؛ نانو لیزرهایی که از مواد نیمه‌هادی معمولی ساخته شده‌اند.»
تیم متشکل از محققان سن‌پترزبورگ از ماده‌ای تحت عنوان «هالید پروکسیت» برای نانو لیزرهای‌شان استفاده کرده‌اند. لیزر معمولی از دو عنصر کلیدی ساخته شده است؛ رابط فعالی که زمینه را برای نشر شبیه‌سازی شده و اپراتور نوری فراهم می‌کند. این اپراتور انرژی الکترومغناطیسی را برای مدتی طولانی در داخل به دام می‌اندازد. پروکسیت هر دوی این ویژگی‌ها را دارد؛ نانوذره‌ای با شکل معین می‌تواند هم به‌عنوان رابط فعال و هم به‌عنوان رزوناتور کارآمد کار کند. در نتیجه، دانشمندان موفق شدند ذره‌ی مکعبی شکلی که فقط ۳۱۰ نانومتر اندازه دارد، بسازند. این ذره می‌تواند در دمای اتاق، تابش لیزری ایجاد کند.
«اکاترینا تیگوستاوا» محقق ارشد در دانشگاه ITMO و یکی از نویسندگان مقاله، می‌گوید: «ما از پالس‌های لیزری فمتوثانیه برای پمپ نانو لیزر استفاده کردیم. ما نانو ذرات مجزا را تا جایی تاباندیم که به آستانه‌ی تولید لیزری با شدت پمپ خاص رسیدیم. پس از آن، نانوذره به‌عنوان لیزر معمولی عمل کرد. ما در تحقیقات خود نشان دادیم که هر نانو لیزر می‌تواند در طول دست‌کم یک میلیون چرخه برانگیختگی عمل نماید. ویژگی‌های منحصربه‌فرد این نانو لیزر، فقط به اندازه‌ی کوچکش محدود نمی‌شود.»
«کریل کوشلف» محقق در دانشگاه ITMO و یکی از نویسندگان مقاله، می‌گوید: «این ایده مطرح است که تولید لیزری یک فرایند آستانه‌ای است؛ یعنی نانوذره با پالس لیزری برانگیخته می‌شود و در شدت آستانه‌ای مشخصی از منبع بیرونی، ذره شروع به تولید نشر لیزری می‌کند. اگر نمی‌توانید نور درون آن‌را به خوبی محبوس کنید، هیچ نشر لیزری در کار نخواهد بود. در آزمایش‌های گذشته با سایر مواد و سیستم‌ها اما با ایده‌هایی مشابه، نتایج نشان داد که می‌توان از رزرونانس Mie چهار مرتبه یا پنج مرتبه استفاده کرد؛ به عبارت دیگر، می‌توان نشر شبیه‌سازی شده را زمانی که اندازه‌ی رزوناتور برابر با سه طول موج درون ماده است، تولید کرد.»
این نکته مهم را باید به خاطر داشت که نیازی به اِعمال فشار بیرونی یا دمای خیلی پایین نیست، تا نانوذره به عنوان لیزر عمل نماید. همه اثراتی که در این تحقیق به توصیفشان پرداختیم، با فشار اتمسفری معمولی و دمای اتاق ایجاد شدند. این فناوری می‌تواند توجه آن دسته از متخصصانی را جلب کند که به تولید تراشه‌های نوری، حسگرهای خاص و سایر وسیله‌هایی که از نور برای انتقال و پردازش اطلاعات استفاده می‌کنند، علاقه‌مند هستند.