Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 45 – vyšlo 27. listopadu, ročník 7 (2009) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

45/2009

Nejmenší polovodičový laser na světě

Miroslav Havránek

Svět poprvé spatřil světlo laseru před téměř padesáti lety. Laser se od té doby zapsal mezi největší objevy 20. století a  nyní má zcela nezastupitelné místo v mnoha aplikacích. Existuje celá řada různých druhů laserů lišících se aktivním prostředím, způsobem čerpání, vyzařovaným spektrem, atd. Příkladem mohou být velmi rychlé polovodičové lasery (modulované na frekvencích desítek GHz) používané pro přenos informace optickými vlákny, lasery na bázi volných elektronů pro zobrazování velmi malých struktur (desítky nm) a nebo CO₂ lasery používané pro obrábění materiálů. Zkrátka, kdo by si v době objevu laseru pomyslel, že za několik desítek let se bude běžně používat i na natolik všedních místech, jako jsou pokladny supermarketů. Dnes se zaměříme na poměrně nový druh laseru, jehož aktivním prostředím je polovodič, ale ke své činnosti využívá interakci elektromagnetického záření s volnými elektrony ve vodiči. Tento druh laseru se nazývá plazmonový laser.

LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. Laserové módy – laserové vidy, stojaté vlny vybuzené aktivním prostředím laseru v optickém rezonátoru, tvořeném obvykle dvojicí odrazných ploch. U jednovidových laserů se aktivní prostředí v rezonátoru vybudí na poměrně přesně dané frekvenci, splňující podmínku celočíselného násobku polovin vlnových délek mezi odraznými plochami. Jelikož však aktivní prostředí laseru zesiluje v určitém pásmu frekvencí (například díky tepelnému pohybu částic, které pak vyzařují zesilované fotony na odlišné frekvenci v důsledku Dopplerova jevu), může být podmínka celočíselného násobku polovin vlnových délek splněna i pro další vlnové délky, které jsou v laseru zesilovány. Při dostatečně dlouhém rezonátoru se vybuzují stojaté vlny více vlnových délek rozmístěné rovnoběžně s osou rezonátoru, hovoříme o podélných módech. Příčné módy vznikají při dostatečně širokém aktivním prostředí díky vybuzení stojatých vln podél paprsků nakloněných vůči ose. Plazmon – kvazičástice (kvantum) podélných oscilací elektronového plynu v pevných látkách (v krystalové mříži kovů, v nekovech, v plastech). Například v kovech je možné vybudit oscilace plazmatu jako kolektivní excitace plynu vodivostních elektronů na pozadí kationtů krystalové mříže. Odražené či prošlé elektrony nebo fotony interagující s plazmony vykazují ztráty energie rovné celistvým násobkům energie plazmonu. Vytváření plazmonů (ve většině materiálů o energii 10÷20 eV) vede k energetickým ztrátám, které se projeví ve formě tzv. Ferrelova záření (objeveno v roce 1960) v UV nebo vizuálním oboru.

Princip laseru

Způsob, jakým klasický laser generuje záření, je znázorněn na obrázku níže. Laser ke své činnosti využívá aktivního prostředí s excitovanými atomyAtom – základní strukturní jednotka hmoty, jádro je složeno z neutronů a protonů, obaly z elektronů. Rozměry atomu jsou 10⁻¹⁰ m, rozměry jádra 10⁻¹⁴ m, hustota atomu je 10¹¹ g·cm⁻³, hustota jádra 10¹⁴ g·cm⁻³. Elektrony nejsou v atomárnáím obalu lokalizovány, můžeme určit jen pravděpodobnosti jejich výskytu v tzv. orbitalech. a jevu stimulované emise záření. Stimulovanou emisi lze zjednodušeně vysvětlit pomocí dvou principů. Prvním z nich je snaha atomů zaujmout stav s nejnižší energií. Druhým z nich je Boseho-Einsteinova statistika popisující chování fotonůFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. (bosonůBosony – částice, které mají celočíselný spin, symetrickou vlnovou funkci, nesplňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Boseho-Einsteinově statistickému rozdělení. Například jsou to všechny skalární i vektorové mezony, fotony a gluony. Při nízkých teplotách se bosony mohou hromadit v základním stavu.). Pokud je atom v excitovaném stavu ponechán svému osudu, dojde časem k jeho deexcitaci – tedy k přechodu do stavu s nižší energií a spontánnímu vyzáření fotonu. Jestliže ale excitovaný atom interaguje s jiným fotonem, dojde k jeho okamžité deexcitaci a emisi dalšího fotonu (stimulovaná emise). Tento případ může nastat pouze, pokud je energie „spouštěcího“ fotonu stejná jako rozdíl energie elektronuElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. mezi excitovaným a základním stavem a pokud je atom v excitovaném stavu dostatečně dlouho, aby mohlo k srážce s fotonem dojít. Původ podmínky stejné energie je skryt v Boseho-Einsteinově statistice. Fotony (obecně bosony) mnohem raději obsazují stavy, kde se už nějaké fotony vyskytují. Stimulovaně emitovaný foton tak přejde do stejného stavu, jako „spouštěcí foton“ – má tedy stejnou energii, směr hybnosti i polarizaciPolarizace fotonu – rovina kmitů elektrického pole, fotony jako kvanta příčného elektromagnetického vlnění mohou mít dvě nezávislé polarizace. Skutečný stav fotonu je potom lineární kombinací obou polarizačních stavů v dané bázi. díky čemuž má světlo laseru tak jedinečné vlastnosti.

Princip laseru. Laser využívá vybuzeného aktivního prostředí, které obsahuje excitované atomy. Spontánně emitovaný foton nastartuje stimulovanou emisi záření, které se tímto procesem dále zesiluje. Prostor mezi zrcadly tvoří rezonátor, který zajišťuje kladnou zpětnou vazbu a tím kontinuální provoz laseru. Zdroj: Britannica

Plazmonový laser

Klasický laser nemůže mít libovolně malé rozměry. Aby optický rezonátor skutečně fungoval, musí mít rozměr alespoň poloviny vlnové délky, což odpovídá nejnižšímu optickému módu. Tato hranice se nazývá difrakční mez. Snahou vědců je vyvinout laserLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu., jehož velikost bude rozměrově kompatibilní se stávajícími (opto) elektronickými součástkami. Tento požadavek splňuje plazmonovýPlazmon – kvazičástice (kvantum) podélných oscilací elektronového plynu v pevných látkách (v krystalové mříži kovů, v nekovech, v plastech). Například v kovech je možné vybudit oscilace plazmatu jako kolektivní excitace plynu vodivostních elektronů na pozadí kationtů krystalové mříže. Odražené či prošlé elektrony nebo fotony interagující s plazmony vykazují ztráty energie rovné celistvým násobkům energie plazmonu. Vytváření plazmonů (ve většině materiálů o energii 10÷20 eV) vede k energetickým ztrátám, které se projeví ve formě tzv. Ferrelova záření (objeveno v roce 1960) v UV nebo vizuálním oboru. laser. Konstrukce plazmonového laseru je poněkud odlišná od konstrukce klasického laseru popsaného výše. Plasmonový laser obsahuje aktivní prostředí, které je vázáno na vodič. ElektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. při přechodu z excitovaných do základních stavů ale nevyzařují fotonyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926.. Jejich energie se využije na zformování povrchových plazmonů ve vodiči. Plazmony se časem rozpadají. Pokud se plazmon rozpadne, předá svoji energii zpět některému z atomůAtom – základní strukturní jednotka hmoty, jádro je složeno z neutronů a protonů, obaly z elektronů. Rozměry atomu jsou 10⁻¹⁰ m, rozměry jádra 10⁻¹⁴ m, hustota atomu je 10¹¹ g·cm⁻³, hustota jádra 10¹⁴ g·cm⁻³. Elektrony nejsou v atomárnáím obalu lokalizovány, můžeme určit jen pravděpodobnosti jejich výskytu v tzv. orbitalech. aktivního prostředí. Pokud je tento atom aktivního prostředí již předem excitovaný, je situace obdobná jako v případě klasického laseru, dojde ke stimulované emisi záření. Takováto vzájemná výměna energie je opět možná pouze, pokud je energie plazmonu shodná s energií atomu v excitovaném stavu. Protože plazmony jsou elektronové oscilace uvězněné v malém objemu, mají také své vlnové módy, které nejsou ovlivněny optickou difrakční mezí. Velikost rezonátoru plazmonového laseru není tedy přímo vázána na vlnovou délku elektromagnetického záření a může být až o dva řády nižší, než je difrakční mez. Koncept takového laseru byl teoreticky popsán v roce 2003, ale jeho realizaci komplikovala řada technických problémů, zejména velmi krátká doba života plazmonů.

Energetické hladiny plazmonového laseru. Černá šipka odpovídá čerpání aktivního prostředí, kdy elektron přejde ze základního stavu na vyšší energetickou hladinu a vznikne pár elektron – díra. Poté elektron spontánně přejde na nižší energetickou hladinu (zelená šipka). Z této hladiny elektron opět přejde do základního stavu – přebytečná energie se využije na vytvoření plazmonu ve vodiči (červená šipka). Zdroj: arXiv

První experimenty

Problém krátké doby života plazmonů se podařilo vyřešit vědcům na Kalifornské univerzitě v BerkeleyUCB – University of California at Berkeley. Požadavky na vznik Kalifornské univerzity pocházejí již z roku 1849, vlastní univerzita byla založena v roce 1866, nejznámější část (UCLA) sídlí v Los Angeles. Berkeleyská část vznikla v roce 1873. pomocí hybridního plazmonového vlnovodu. Struktura tohoto plazmonového laseru je na obrázku níže. Jako aktivní prostředí laseru slouží nanodrát vyrobený z polovodiče (CdS) o průměru 52 nm. Nanodrát je vázán na stříbrnou (elektricky vodivou) podložku přes tenkou (5 nm) vrstvu izolantu. Největším technologickým problémem bylo vytvoření právě této vrstvy a následné navázání nanodrátu. Tato struktura byla čerpána laserovým svazkem s vlnovou délkou 405 nm. Měřením spekra záření struktury byly zjištěny výrazné optické módy odpovídající setině difrakční meze. Takovéto optické módy není možné generovat v klasickém optickém rezonátoru popsaném výše, ale pouze pomocí přeměny energie fotonu na elektronové oscilace lokalizované ve velmi malém objemu. Pokud zvýšíme průměr nanodrátu, mohou se v něm vytvořit klasické laserové módy – tedy módy větší, než je difrakční mez. Tyto dva druhy módů je možné od sebe rozlišit, protože se liší polarizací. Tímto způsobem byla prokázána funkčnost plazmonového laseru.

Struktura plazmonového laseru. Nanodrát vyrobený z polovodiče je vázán
na kov přes velmi tenkou vrstvu izolantu. Zdroj: Nature

Počítačová simulace rozložení intenzity elektrického pole ve struktuře z předchozího obrázku. Osa z míří ve směru osy nanodrátu. Obrázky a a c znázorňují elektrické pole v oblasti okolo plazmonů. Díky existenci plazmonových módů může být laserové záření generováno ve velmi malém objemu – na rozhraní dielektrika a kovu. Na obrázcích b a d je pro srovnání elektrické pole vln vykazující klasické laserové módy. Elektrické pole je koncentrováno uvnitř nanodrátu. Tento režim činnosti odpovídá normálnímu laseru. Zdroj: Nature

Měřicí pracoviště na kterém byl plazmonový laser testován. Na vloženém obrázku je vidět záření plazmonového laseru, zatímco záření budicího laseru leží mimo viditelnou oblast spektra. Zdroj: Nature

Závěr

Potřeba lidí přenášet stále větší množství informací je hlavním faktorem určujícím trend vývoje (opto)elektronických součástek. Parametry elektronických polovodičových součástek se již dnes blíží fyzikálním hranicím, které nedovolí další zvyšování rychlosti a hustoty integrace. Přechod k ryze optickým technologiím je jednou z možností, jak posunout tyto hranice dále. Prokázání funkčnosti plazmonového laseru je významným krokem vpřed k výrobě optických integrovaných obvodů. Takové obvody nejsou pouze rychlejším ekvivalentem křemíkových obvodů, mohou nabídnout výrazně výhodnější vlastnosti například v rozsahu provozních teplot nebo radiační odolnosti. Výzkum zařízení využívající interakci elektromagnetických vln s povrchovými plazmony také přispívá k vývoji biomedicínských nanosenzorů, jejichž citlivost může dosáhnout molekulární úrovně.

Klip týdne: Povrchový plazmon

Povrchový plazmon. Výsledek numerické simulace pořízené řešením Maxwellových-Blochových rovnic. V horní části animace se nachází tenká vrstva stříbra s periodickou strukturou. V této vrstvě je generován povrchový plazmon (kvazičástice podélných oscilací elektronového plynu v pevných látkách) s dobou trvání 100 fs. Plazmon prochází prostředím s neutrálními atomy, které mají tři energetické hladiny. V animaci je patrná dynamika různých populací atomů. Červená barva označuje excitované atomy, tmavě modrá atomy v základním stavu. Po uplynutí 100 fs vymizí pole plazmonu, ale ve vrstvě atomů je generováno sekundární elektromagnetické pole, které se postupně rozpadá (dekoherence a zmenšování amplitudy). Zdroj YouTube, 2009. (avi/xvid, 9 MB)

Odkazy