La Universidad de Pekín logró una perovskita continuafuente lásermenor que 1 micrón cuadrado
Es importante construir una fuente láser continua con un área de dispositivo menor a 1 μm² para cumplir con el requisito de bajo consumo de energía de la interconexión óptica en chip (<10 fJ bit⁻¹). Sin embargo, a medida que el tamaño del dispositivo disminuye, las pérdidas ópticas y de material aumentan significativamente, por lo que lograr un tamaño de dispositivo submicrométrico y el bombeo óptico continuo de fuentes láser es extremadamente difícil. En los últimos años, los materiales de perovskita de haluro han recibido una gran atención en el campo de los láseres de bombeo óptico continuo debido a su alta ganancia óptica y propiedades únicas de polaritones de excitón. El área del dispositivo de las fuentes láser continuas de perovskita reportadas hasta ahora es aún mayor a 10 μm², y todas las fuentes láser submicrométricas 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 monocristalinos de perovskita submicrométricos de alta calidad para obtener fuentes láser de bombeo óptico continuo con un área de dispositivo de tan solo 0,65 μm². Al mismo tiempo, se reveló el mecanismo del polaritón de excitón en el proceso láser de bombeo óptico continuo submicrométrico, lo que proporciona una nueva perspectiva para el desarrollo de láseres semiconductores de bajo umbral y tamaño reducido. Los resultados del estudio, titulado «Láseres de perovskita bombeados por onda continua con un área de dispositivo inferior a 1 μm²», se publicaron recientemente en Advanced Materials.
En este trabajo, se preparó una lámina micrométrica de monocristal de perovskita inorgánica CsPbBr3 sobre un sustrato de zafiro mediante deposición química de vapor. Se observó que el fuerte acoplamiento de los excitones de perovskita con los fotones de la microcavidad de la pared acústica a temperatura ambiente dio como resultado la formación de polaritones excitónicos. A través de una serie de evidencias, como la intensidad de emisión lineal a no lineal, el ancho de línea estrecho, la transformación de la polarización de emisión y la transformación de la coherencia espacial en el umbral, se confirmó el láser de fluorescencia continuo bombeado ópticamente del monocristal de CsPbBr3 de tamaño submicrométrico, y el área del dispositivo es tan baja como 0,65 μm². Al mismo tiempo, se encontró que el umbral de la fuente láser submicrométrica es comparable al de la fuente láser de gran tamaño, e incluso puede ser menor (Figura 1).
Figura 1. CsPbBr3 submicrométrico bombeado ópticamente de forma continuafuente de luz láser
Además, este trabajo explora, tanto experimental como teóricamente, el mecanismo de los excitones polarizados en la realización de fuentes láser continuas submicrométricas. El acoplamiento fotón-excitón mejorado en las perovskitas submicrométricas 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 submicrométrica de perovskita con un factor de calidad de microcavidad efectivo más alto y un ancho de línea de emisión más estrecho (Figura 2). El mecanismo también proporciona nuevas perspectivas para el desarrollo de láseres de tamaño reducido y bajo umbral basados en otros materiales semiconductores.
Figura 2. Mecanismo de una fuente láser submicrométrica que utiliza polaritones excitónicos.
Song Jiepeng, estudiante de Zhibo de la promoción de 2020 de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Pekín, es el primer autor del artículo, y la Universidad de Pekín es la primera unidad del mismo. Zhang Qing y Xiong Qihua, profesor de Física en la Universidad de Tsinghua, son los autores correspondientes. Este trabajo fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y la Fundación de Ciencias de Pekín para Jóvenes Sobresalientes.
Fecha de publicación: 12 de septiembre de 2023