Лазерный мир

Оптические, лазерные и волноводные возможности перовскита делают этот материал перспективной платформой для интегральных фотонных схем для классической и квантовой обработки сигналов.

Исследовательская группа из Варшавского университета в сотрудничестве с институтами Европы и Австралии разработала способ эффективного изготовления крупномасштабных волноводных кристаллов перовскита в заранее определенных формах, таких как соединители, разветвители или микропровода.

Наряду с повторяемыми масштабируемыми методами синтеза исследователи использовали почти атомарно гладкие шаблоны из арсенида галлия, которые они изготавливали с помощью электронно-лучевой литографии и плазменного травления, для создания кристаллов. Этот подход привел к получению высококачественных монокристаллов с точно определенными размерами и формами для возможного использования в нелинейной оптике .

Исследователи под руководством Варшавского университета разработали метод создания перовскитных волноводов с эффектом краевой лазерной генерации. Предоставлено Матеушем Кролем, Варшавским университетом и Физической школой Австралийского национального университета в Канберре.

«Эти кристаллы, благодаря своему высокому качеству, образуют на своих стенках резонаторы типа Фабри-Перо, что позволяет наблюдать сильные нелинейные эффекты без необходимости использования внешних брэгговских зеркал», — сказал исследователь Матеуш Кедзиора.

Исследователи вырастили кристаллы перовскита из раствора в узких полимерных формах, используя подход микрофлюидики. Чтобы обеспечить успех этого подхода, они сохранили контроль над концентрацией раствора и температурой роста, поддерживая при этом атмосферу насыщенных паров растворителя.

Команда использовала бромид цезия-свинца (CsPbBr3 ) в качестве материала перовскита. Перовскиты CsPbBr3 являются хорошими полупроводниками для оптических приложений из-за их высокой энергии связи экситона и силы осциллятора. «Эти эффекты позволяют улучшить световые взаимодействия, значительно снижая энергию, необходимую для нелинейного усиления света», — сказала профессор Барбара Пьетка.

Предварительно разработанные перовскиты продемонстрировали эффект краевой лазерной генерации, связанный с образованием конденсата экситон-поляритонов — квазичастиц, которые ведут себя частично как свет, а частично как материя.

«Длина волны излучаемого света изменяется под воздействием сильных взаимодействий света и материи, что указывает на то, что излучение обусловлено образованием неравновесного конденсата Бозе-Эйнштейна экситон-поляритонов», — сказал Пьетка. «Таким образом, это не обычная лазерная генерация из-за эффекта Перселла (слабая связь), а излучение из конденсата в режиме сильной связи света и материи».

Когда исследователи нерезонансно стимулировали конденсат волноводных экситон-поляритонов, поперечные интерфейсы и углы перовскитных микроструктур демонстрировали яркую поляритонную генерацию. Команда использовала фотолюминесценцию в дальней зоне и спектроскопию с угловым разрешением, чтобы подтвердить высокую когерентность между различными сигналами испускаемого света с краев и углов.

«Наши моделирования показывают, как естественно сформированные резонаторы для световых мод и рассеяние влияют на излучение с краев и изгибов в кристаллах», — сказал исследователь Анджей Опала.

Команда обнаружила большие синие сдвиги с мощностью возбуждения и высокой взаимной когерентностью между различными сигналами лазерной генерации краев и углов в фотолюминесценции в дальней зоне, что указывает на то, что образовались пространственно протяженные конденсаты когерентных поляритонов. Из-за взаимодействий внутри конденсата исследователи наблюдали увеличение энергии с увеличением популяции данного синего сдвига, что дополнительно подтвердило наличие нелинейных эффектов.

«Благодаря расчетам, основанным на решении уравнений Максвелла в трехмерных структурах со сложными формами, мы смогли визуализировать фотонные моды и показать, как их изображение формируется в дальнем поле», — сказал профессор Томаш Чишановски.

Было обнаружено, что конденсатные поляритоны распространяются на большие расстояния в проводах от точки возбуждения и могут связываться с соседними проводами через большие воздушные зазоры, что указывает на то, что они потенциально могут быть использованы для интегрированных поляритонных схем и оптических устройств на кристалле с сильными нелинейностями.

Предварительно разработанные перовскитные волноводы с краевой лазерной генерацией могут помочь продвинуть использование кристаллов перовскита в нелинейной фотонике, которая работает при комнатной температуре. Более того, структуры перовскита могут быть совместимы с кремниевой технологией, что увеличит их коммерческий потенциал. Структуры могут быть изготовлены на любой подложке, что повысит их совместимость с существующими фотонными устройствами.

Интегрированные фотонные схемы, работающие при комнатной температуре, в сочетании с оптическими нелинейными эффектами могут преобразовать способность классических и квантовых устройств оптически манипулировать и анализировать сигналы. «Мы предсказываем, что наши открытия откроют дверь к будущим устройствам, которые смогут работать на уровне отдельных фотонов, интегрируя нанолазеры с волноводами и другими элементами на одном чипе», — сказал профессор Михал Матушевски.

Исследование было опубликовано в Nature Materials ( www.doi.org/10.1038/s41563-024-01980-3 ).
Источник: https://www.photonics.com/Articles/Predesigned_Perovskites_with_E