Лазеры наноразмера в большинстве своем состоят из оптического резонатора, характерные измерения которого имеют порядок величин сравнимый с длиной волны излучения, а также эмиттера одного единственного фотона. Атомная оптика уже смогла достичь того уровня, когда был создан наноисточник лазерного излучения, состоящий всего из одного атома газа, «захваченного в ловушку». Но вопрос, можно ли повторить это достижение с помощью материалов в твердых агрегатных состояниях, до сих пор оставался без ответа.
Оказалось, что это возможно. Такой ответ дали на животрепещущий вопрос ученые из Японии, предложившие скомбинировать полупроводниковую квантовую точку с оптическим резонатором из полупроводникового же фотонного кристалла.
Известно, что фотонный кристалл – это повторяющаяся в пространстве структура (с повторяющимся изменением оптических свойств) с характерным периодом порядка длины волны излучения. Фотонные кристаллы могут использоваться для управления отдельными фотонами. В частности, фотоны могут сосредотачиваться в пространстве при помощи дефекта такого кристалла, функционирующего как небольшой оптический резонатор.
В свободном пространстве взаимодействие фотонов и квантовых точек нельзя назвать сильными. Однако это взаимодействие может быть значительно увеличено за счет сосредоточения фотонов вокруг квантовой точки в объеме, равном кубу длины волны излучения. Это будет происходить за счет квантовых электродинамических явлений. На этом принципе и построен новый лазер, состоящий фактически, из одной квантовой точки.
Исследования Японских ученых показали, что при отсутствии взаимодействия между собой, оптический резонатор (представляющий собой фотонный кристалл) и квантовая точка из InGaAs показывают спектр фотолюминисценции. Если квантовая точка и оптический резонатор «спарены» таким образом, чтобы приводить к резонансу, на спектре произойдет расщепление линий. В результате такого взаимодействие поле оптического резонатора создает экситон-поляритонное состояние.
После увеличения мощности накачки, экситон-поляритонный дуплет превращается в один единственный пик на спектре. Ученые показали, что переход от экситон-поляритонного состояния к излучению когерентного света необратим. Подобное поведение спектральных линий не так давно было предсказано в теоретических работах.
Таким образом, своими экспериментами группа из Токийского Университета, фактически, продемонстрировала нанолазер, функционирующий за счет одной единственной квантовой точки, доказав, тем самым, принципиальное существование нанолазеров на базе веществ в твердых состояниях. Естественно, исследования в этом направлении продолжатся.
