Исследователи Сколтеха (входит в группу ВЭБ.РФ) совместно с коллегами из Института органической химии имени Н.Д. Зелинского и Университета Уэстлейк экспериментально показали, как меняется режим работы поляритонного лазера при плавном увеличении толщины резонатора. На примере органического полимерного комплекса MeLPPP продемонстрирован плавный переход между режимами сильной и слабой связи в видимом спектральном диапазоне. Исследование открывает возможности для развития сверхбыстрых оптических транзисторов и источников когерентного излучения, работающих при комнатной температуре. Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом (проект № 25-72-00149), опубликованы в журнале Nanophotonics.
Поляритон — квазичастица, представляющая собой гибрид света и материи, которая образуется при взаимодействии фотонов с полупроводниковой структурой. При достижении критической плотности поляритонов в образце их волновые функции синхронизируются и квазичастицы переходят в состояние с минимальной энергией, формируя поляритонный конденсат — макроскопически заселённое когерентное состояние и источник когерентного света. Процесс поляритонной конденсации открывает путь к созданию принципиально новых наноразмерных лазеров, которые имеют низкий порог активации и не требуют наличия инверсии населенности в веществе.
Для существования поляритонов необходим микрорезонатор малой толщины, в котором взаимодействие фотона с полупроводником будет происходить настолько часто, что свет и вещество проявляют свои свойства как единая сущность — новая квазичастица с определёнными энергией и импульсом. Такой режим взаимодействия света с веществом называют режимом сильной связи. В работе продемонстрирована технология изготовления микрорезонаторов с переменной толщиной, благодаря которым можно наблюдать плавный переход от режима сильной связи с образованием поляритонного конденсата к режиму слабой связи, в котором структура работает как классический лазер с инверсией населённости.
«Мы разработали новый подход к формированию микрорезонаторов, — рассказывает Александр Аверченко, один из авторов исследования, младший инженер-исследователь Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха. — Вместо традиционного метода мы создали особую структуру: нанесли тонкий слой специального полимера MeLPPP толщиной всего 180 нанометров на брэгговское зеркало. Затем добавили второе зеркало сверху, сформировав асимметричную открытую геометрию с воздушным зазором». Ключевым моментом стало использование локального сжатия, которое позволяет точно подстраивать толщину микрорезонатора. «Это даёт нам возможность детально изучать процессы внутри лазера», — поясняет учёный.
