La Universidad de Pekín logró un continuo de perovskitafuente lásermenor que 1 micra cuadrada
Es importante construir una fuente láser continua con un área inferior a 1 μm² para cumplir con el requisito de bajo consumo energético de la interconexión óptica en chip (<10 fJ bit⁻¹). Sin embargo, a medida que disminuye el tamaño del dispositivo, las pérdidas ópticas y de material aumentan significativamente, por lo que lograr un tamaño submicrónico y el bombeo óptico continuo de las fuentes láser resulta extremadamente complejo. En los últimos años, los materiales de perovskita de haluro han recibido gran atención en el campo de los láseres de bombeo óptico continuo debido a su alta ganancia óptica y sus propiedades únicas de polaritones de excitón. El área de los dispositivos de fuentes láser continuas de perovskita reportadas hasta la fecha sigue siendo superior a 10 μm², y todas las fuentes láser submicrónicas requieren luz pulsada con una mayor densidad de energía de bombeo para su estimulación.
En respuesta a este desafío, el grupo de investigación de Zhang Qing, de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Pekín, logró preparar materiales de perovskita monocristalinos submicrónicos de alta calidad para obtener fuentes láser de bombeo óptico continuo con un área de dispositivo de tan solo 0,65 μm². Simultáneamente, se reveló el mecanismo del polaritón de excitón en el proceso de emisión láser submicrónico de bombeo óptico continuo, lo que proporciona una nueva perspectiva para el desarrollo de láseres semiconductores de pequeño tamaño y bajo umbral. Los resultados del estudio, titulado «Láseres de perovskita de bombeo de onda continua con un área de dispositivo inferior a 1 μm²», se publicaron recientemente en Advanced Materials.
En este trabajo, se preparó una lámina microcristalina de perovskita inorgánica CsPbBr₃ sobre un sustrato de zafiro mediante deposición química de vapor. Se observó que el fuerte acoplamiento de los excitones de la perovskita con los fotones de la microcavidad de pared acústica a temperatura ambiente dio lugar a la formación de polaritones excitónicos. Mediante diversas evidencias, como la transición de intensidad de emisión lineal a no lineal, el estrecho ancho de línea, la transformación de la polarización de emisión y la transformación de la coherencia espacial en el umbral, se confirmó la emisión láser de fluorescencia continua bombeada ópticamente de la lámina monocristalina de CsPbBr₃ de tamaño submicrométrico, con un área de dispositivo de tan solo 0,65 μm². Asimismo, se encontró que el umbral de la fuente láser submicrométrica es comparable al de la fuente láser de mayor tamaño, e incluso puede ser inferior (Figura 1).
Figura 1. CsPbBr3 submicrónico bombeado ópticamente de forma continuafuente de luz láser
Además, este trabajo explora, tanto experimental como teóricamente, el mecanismo de los excitones polarizados por excitones en la realización de fuentes láser continuas submicrónicas. El acoplamiento fotón-excitón mejorado en perovskitas submicrónicas produce un aumento significativo del índice de refracción de grupo hasta aproximadamente 80, lo que incrementa sustancialmente la ganancia del modo para compensar la pérdida del mismo. Esto también da como resultado una fuente láser submicrónica de perovskita con un factor de calidad de microcavidad efectivo superior y un ancho de línea de emisión más estrecho (Figura 2). El mecanismo también proporciona nuevas perspectivas para el desarrollo de láseres de pequeño tamaño y bajo umbral basados en otros materiales semiconductores.
Figura 2. Mecanismo de una fuente láser submicrónica que utiliza polaritones excitónicos.
Song Jiepeng, estudiante del programa Zhibo de 2020 de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Pekín, es el primer autor del artículo, cuya primera unidad de investigación es la Universidad de Pekín. Zhang Qing y Xiong Qihua, profesor de Física de la Universidad de Tsinghua, son los autores de correspondencia. Este trabajo contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y la Fundación Científica de Pekín para Jóvenes Investigadores Sobresalientes.
Fecha de publicación: 12 de septiembre de 2023