Создан нанолазер размером с вирус

Схема устройства плазмонного нанолазера на основе золотых наночастиц

(иллюстрация Jae Yong Suh et al./Nano Letters).

Учёные давно ищут способ использовать лазеры в процессорах компьютеров. Ведь с их помощью можно передавать информацию гораздо быстрее. Проблема в том, что размер устройств, генерирующих лазерный луч, ограничен дифракционным пределом. То есть генератор не может быть меньше, чем половина длины волны излучаемого света. Так, для красного света с длиной волны 700 нанометров это ограничение составляет 350 нанометров.

Казалось бы, это совсем немного, но в последнем поколении процессоров используются элементы размером всего 22 нанометра. Таким образом, для ультрабыстрой обработки данных и сверхплотного хранения информации решающее значение имеет уменьшение размеров лазерных устройств.

Американские исследователи из Северо-западного университета (Northwestern University), зная о проблеме, создали самое миниатюрное лазерное устройство, сопоставимое по размеру с вирусной частицей. 

Этот плазмонный лазер размером около 150 нанометров работает при комнатной температуре. Он может быть интегрирован в кремниевые фотонные устройства и самые маленькие биосенсоры. 

Добиться значительного уменьшения размеров учёным удалось при помощи инновационного технического решения. Если в обычных лазерах усиление света происходит в ходе многократного отражения в системе зеркал, называемой оптическим резонатором, то в новом устройстве в качестве резонатора используются димерные молекулы, которые имеют в своём составе наночастицы золота. Разделённые полостью они образуют резонатор в форме галстука-бабочки.

Структура нанесена на пластиковую подложку с особым органическим красителем, который играет роль рабочего вещества. Падающий свет переводит электроны в молекулах красителя в возбуждённое состояние, после чего они испускают фотоны с той же длиной волны.

Основную роль в генерации лазерного луча играет полость между наночастицами, куда поступают фотоны после оптической накачки. Отражение света в ней, как в резонаторе, невозможно, потому что её размеры меньше, чем длина волны получаемого луча. Учёным удалось обойти это ограничение: они заставили свет "втиснуться" в столь малый объём при помощи локализованных поверхностных плазмонов, то есть синхронных колебаний электронов на поверхности наночастиц.

Особая форма наночастиц позволила учёным избежать потерь света в системе, которые в противном случае делают невозможным усиление луча.

"Когерентные источники света, размеры которых измеряются в нанометрах, чрезвычайно важны не только для исследования оптических явлений в столь малых масштабах, но и для создания оптических устройств с размерами, способными преодолеть ограничения дифракционного предела света", — говорит ведущий разработчик устройства Тери Одом (Teri Odom) в пресс-релизе университета.

Подробнее о проведённой работе рассказывает статья в журнале Nano Letters.

Также по теме: 
Учёные разработали лазеры, которые можно напечатать на принтере
Самый мощный в мире лазер взял рекордную планку в 500 триллионов ватт