Лазер по желанию
Крошечные кучки всего из нескольких десятков тысяч атомов, объединенных вместе, чтобы сформировать полупроводниковый кристалл, имеют то, что нужно, чтобы стать чем-то большим: они позволяют лазеру излучать желаемый цвет. По крайней мере, в теории - на практике мешали их крошечные размеры. Теперь исследователи надевают на них пальто и делают источники света почти пригодными для повседневного использования.
В основном они спрятаны в машинах и коробках, но лазеры всегда присутствуют в нашей повседневной жизни: в считывателях штрих-кодов в супермаркете, в качестве лазерных скальпелей в медицине или в CD- и DVD-приводах дома. Между тем остросвязанное излучение имеется не только в видимом, но и в соседних участках электромагнитного спектра - но только в избранных длинах волн.
И они зависят от атомов или молекул, которые светятся в лазере. Электроны в нем могут иметь только очень определенные энергии, характерные для каждого химического элемента. Однако элементарные частицы могут переключаться между различными энергетическими уровнями. Если они прыгают на более низкий уровень, то испускают разницу энергий в виде светового кванта. С обычными источниками света это происходит в какой-то момент и в любом направлении.
Контролируемое свечение…
С лазерами, однако, все более контролируемо: падающий фотон подходящей длины волны стимулирует электрон к переходу в более низкое энергетическое состояние. Излучаемый квант света совпадает по частоте и направлению распространения с квантом первого. Вместе они побуждают больше электронов излучать фотон - таким образом свет усиливается.
Чтобы это работало, однако, есть одно условие: более половины электронов уже должны находиться на более высоком уровне, иначе кванты света с большей вероятностью будут использованы электронами, которые могли их использовать подниматься на более высокие энергетические уровни. Физики называют это состояние инверсией населенностей. Для приведения электронов в возбужденные состояния в систему подводится энергия извне. Эта так называемая накачка может происходить, например, от лампы-вспышки или света другого лазера.
Свет лазера неоднократно проходит через люминофор с помощью зеркал, в результате чего он усиливается до тех пор, пока существует инверсия населенностей. Одно из двух зеркал является частично пропускающим, что позволяет свету выходить из лазера. Этот принцип работает с 1960 года, хотя до сих пор цвета лазера диктовались структурой атомов. Альтернативу предлагают полупроводниковые нанокристаллы, форма которых и, прежде всего, изменчива. Таким образом, исследователи могут адаптировать оптические свойства крошечных кристаллов: возможны цвета от красного до зеленого. И даже излучают в инфракрасном диапазоне, чего нелегко добиться с помощью обычных лазерных материалов.
Поскольку носители заряда в нанокристаллах пространственно очень ограничены, они занимают лишь дискретные энергетические уровни, как в атоме, хотя в полупроводниках им доступны более широкие диапазоны энергий. Если электроны возбуждены, в твердом теле остается щель, в отличие от отдельного атома, который ведет себя как положительный заряд. Возбужденный отрицательно заряженный электрон и так называемая дырка притягиваются друг к другу и образуют так называемый экситон.
… через пространственное разделение
Это партнерство очень недолговечно, потому что всего через несколько мгновений электрон и соответствующая дырка компенсируют друг друга и испускают фотон. Однако из-за крошечного объема многие из этих пар также аннигилируют по другому механизму, в котором они не излучают свет. Таким образом, экситоны поглощаются еще до того, как может произойти инверсия населенностей. И вот в чем проблема: чтобы все-таки добиться оптического усиления, требуется огромное количество усилий.
Ученые во главе с Виктором Климовым из Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико обошли эту проблему, разработав нанокристалл, который сочетает в себе два полупроводниковых материала. Они захватывают электроны в ядре из сульфида кадмия, а дырки направляют их в оболочку из селенида цинка. Будучи столь аккуратно отделенными друг от друга, энергетические соотношения в кристалле меняются таким образом, что легче добиться инверсии населенностей. Кроме того, возбужденное состояние теперь стабильно почти две наносекунды - в пятьдесят раз дольше, чем в обычных нанокристаллах.
Но прежде чем они смогут достичь срока службы типичных полупроводниковых лазеров, они должны оставаться в возбужденном состоянии примерно на восемь наносекунд дольше. Тогда у вас есть широкий спектр возможных применений от телекоммуникаций до медицины. Даже если до этого еще далеко - Климов и его коллеги значительно приближают эту цель.