Οι επιστήμονες πέτυχαν με επιτυχία τη δημιουργία υπέρυθρων λέιζερ σε θερμοκρασία δωματίου, η οποία αναμένεται να φέρει λέιζερ αντλίας χαμηλότερης ισχύος

ολέιζερπου χρησιμοποιούνται για να φωτίζουν τα δίκτυα οπτικών επικοινωνιών του κόσμου είναι συνήθως κατασκευασμένα από ίνες με πρόσμιξη έρβιου ή ημιαγωγούς III-V, επειδήλέιζερμπορεί να εκπέμπει υπέρυθρα μήκη κύματος που μπορούν να μεταδοθούν μέσω οπτικών ινών. Ωστόσο, ταυτόχρονα, αυτό το υλικό δεν είναι εύκολο να ενσωματωθεί με τα παραδοσιακά ηλεκτρονικά πυριτίου.

Σε μια νέα μελέτη, επιστήμονες στην Ισπανία είπαν ότι στο μέλλον αναμένεται να παράγουν υπέρυθρα λέιζερ που μπορούν να επικαλυφθούν κατά μήκος οπτικών ινών ή να εναποτεθούν απευθείας στο πυρίτιο ως μέρος της διαδικασίας κατασκευής CMOS. Έχουν αποδείξει ότι οι κολλοειδείς κβαντικές κουκκίδες ενσωματωμένες σε μια ειδικά σχεδιασμένη οπτική κοιλότητα μπορούν να δημιουργήσουνλέιζερφως μέσα από ένα οπτικό παράθυρο επικοινωνίας σε θερμοκρασία δωματίου.

Οι κβαντικές κουκκίδες είναι ημιαγωγοί νανοκλίμακας που περιέχουν ηλεκτρόνια. Τα ενεργειακά επίπεδα των ηλεκτρονίων είναι παρόμοια με αυτά των πραγματικών ατόμων. Συνήθως κατασκευάζονται με θέρμανση κολλοειδών που περιέχουν χημικούς πρόδρομους κρυστάλλους κβαντικής κουκκίδας και έχουν φωτοηλεκτρικές ιδιότητες που μπορούν να προσαρμοστούν αλλάζοντας το μέγεθος και το σχήμα τους. Μέχρι στιγμής, έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε διάφορες συσκευές, συμπεριλαμβανομένων των φωτοβολταϊκών στοιχείων, των διόδων εκπομπής φωτός και των ανιχνευτών φωτονίων.

Το 2006, μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Τορόντο στον Καναδά έδειξε τη χρήση κολλοειδών κβαντικών κουκκίδων θειούχου μολύβδου για υπέρυθρα λέιζερ, αλλά πρέπει να γίνει σε χαμηλές θερμοκρασίες για να αποφευχθεί ο θερμικά συναρπαστικός ανασυνδυασμός ηλεκτρονίων και οπών Auger. Πέρυσι, ερευνητές στο Ναντζίνγκ της Κίνας ανέφεραν για υπέρυθρα λέιζερ που παράγονται από κουκκίδες από σεληνίδιο του αργύρου, αλλά οι συντονιστές τους ήταν αρκετά μη πρακτικοί και δύσκολο να προσαρμοστούν.

Στην τελευταία έρευνα, ο Γεράσιμος Κωνσταντάτος του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Βαρκελώνης στην Ισπανία και οι συνεργάτες του βασίστηκαν σε μια λεγόμενη κοιλότητα κατανεμημένης ανάδρασης για να επιτύχουν υπέρυθρα λέιζερ σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί ένα πλέγμα για να περιορίσει μια πολύ στενή ζώνη μήκους κύματος, με αποτέλεσμα έναν τρόπο λειτουργίας λέιζερ.

Για να φτιάξουν το πλέγμα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν λιθογραφία δέσμης ηλεκτρονίων για να χαράξουν σχέδια στο υπόστρωμα από ζαφείρι. Επέλεξαν το ζαφείρι λόγω της υψηλής θερμικής αγωγιμότητάς του, η οποία μπορεί να αφαιρέσει το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας που παράγεται από την οπτική αντλία - αυτή η θερμότητα θα αναγκάσει το λέιζερ να ανασυνδυαστεί και να κάνει την έξοδο λέιζερ ασταθή.

Στη συνέχεια, ο Κωνσταντάτος και οι συνεργάτες του τοποθέτησαν ένα κολλοειδές κβαντικής κουκίδας θειούχου μολύβδου σε εννέα σχάρες με διαφορετικά βήματα, που κυμαίνονταν από 850 νανόμετρα έως 920 νανόμετρα. Χρησιμοποίησαν επίσης τρία διαφορετικά μεγέθη κβαντικών κουκκίδων με διαμέτρους 5,4 nm, 5,7 nm και 6,0 nm.

Σε μια δοκιμή θερμοκρασίας δωματίου, η ομάδα έδειξε ότι μπορεί να δημιουργήσει λέιζερ στη ζώνη c-band, l-band και u-band επικοινωνίας, από 1553 nm έως 1649 nm, φτάνοντας το πλήρες πλάτος, το μισό της μέγιστης τιμής, έως και 0,9 meV. Βρήκαν επίσης ότι λόγω του n-ντοπαρισμένου θειούχου μολύβδου, μπορούν να μειώσουν την ένταση άντλησης κατά περίπου 40%. Ο Κωνσταντάτος πιστεύει ότι αυτή η μείωση θα ανοίξει το δρόμο για πιο πρακτικά λέιζερ αντλιών χαμηλότερης ισχύος και μπορεί ακόμη και να ανοίξει το δρόμο για την ηλεκτρική άντληση.

Όσον αφορά τις πιθανές εφαρμογές, ο Κωνσταντάτος είπε ότι η λύση της κβαντικής κουκκίδας μπορεί να φέρει νέες ολοκληρωμένες πηγές λέιζερ CMOS για την επίτευξη φθηνής, αποτελεσματικής και γρήγορης επικοινωνίας εντός ή μεταξύ ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Πρόσθεσε ότι λαμβάνοντας υπόψη ότι τα υπέρυθρα λέιζερ θεωρούνται αβλαβή για την ανθρώπινη όραση, μπορεί επίσης να βελτιώσουν το lidar.

Ωστόσο, πριν τεθούν σε χρήση τα λέιζερ, οι ερευνητές πρέπει πρώτα να βελτιστοποιήσουν τα υλικά τους για να αποδείξουν τη χρήση λέιζερ με πηγές αντλίας συνεχούς κύματος ή μεγάλου παλμού. Ο λόγος για αυτό είναι η αποφυγή της χρήσης ακριβών και ογκωδών λέιζερ υπο-picosecond. Ο Κωνσταντάτος είπε: «Οι παλμοί νανοδευτερόλεπτου ή τα συνεχή κύματα θα μας επιτρέψουν να χρησιμοποιήσουμε διοδικά λέιζερ, καθιστώντας το μια πιο πρακτική ρύθμιση».