Лазеры на квантовых точках и топологических изоляторах – какие открытия обсуждают на конгрессе Lasers&Photonics

В Петербурге начался второй конгресс Lasers&Photonics, в рамках которого проходят сразу несколько тематических конференций, школы для молодых ученых и студентов наук, выставка технологий в области лазеров и оптоэлектроники. Ключевые темы конгресса – это исследование квантовых точек и их практических применений в лазерах, новая концепция создания лазеров на основе топологических изоляторов, а также возможности рентгеновского лазера на свободных электронах XFEL, эксперименты на котором начались осенью прошлого года. Эти темы обсудили в ходе пленарных выступлений ключевые спикеры мероприятия. Конгресс организован Университетом ИТМО совместно с партнерами.

Конгресс Lasers&Photonics

Традиционно в конгрессе Lasers&Photonics участвует более полутора тысяч человек, при этом почти треть из них – аспиранты и студенты, которые могут представить свои работы в том числе на постерной сессии. В рамках конгресса проходят конференции Laser Optics, «Days on Diffraction», The Photonic Colloidal Nanostructures: Synthesis, Properties, and Applications, а также международная школа для молодых ученых «Advanced Photonic Materials» и летняя школа для магистрантов, аспирантов и кандидатов наук «Nanophotonics and Metamaterials». Ключевые темы конгресса были представлены на пленарном заседании.

«В прошлом году начал работать лазер на свободных электронах, и Университет ИТМО – активный участник этого проекта, так как вуз в числе первых подал заявку на реализацию своего проекта на мегаустановке. Вторая ключевая тема – это лазеры на квантовых точках, которые на пленарной сессии представил ученый, который практически является их изобретателем. Сейчас такие лазеры особенно актуальны для развития телекоммуникаций, интернета и любых оптических сетей, а также для повышения вычислительных мощностей. Третья тема – это новый прорыв среди исследований в фотонике, создание первых в мире лазеров на основе топологических изоляторов. Как сказал докладчик, пока они не могут даже точно сказать, какова может быть выходная мощность устройств, которые будут использовать такой лазер. Также мы впервые организовали специальную секцию – “Nonlinear and Quantum Integrated Photonics”, на которой будут представлены новые технологические приборы, которые в России пока еще представлены скромно, но нам удалось пригласить на конгресс ведущих ученых в этой области», – прокомментировал председатель программного комитета  Lasers&Photonics Евгений Викторов, заведующий кафедрой лазерных технологий и систем Университета ИТМО.

Евгений Викторов
Евгений Викторов

Также во время конгресса будут подниматься и классические темы: твердотельные лазеры, полупроводниковые лазеры, технологии управления лазерными лучами, нелинейная фотоника, оптические наноматериалы. Ученые обсудят современные приложения лазеров в мониторинге окружающей среды, навигационных системах, устройствах для космической геодезии, а также актуальные исследования и возможности в области лазеров на свободных электронах.

Лазеры на квантовых точках

Историю исследований квантовых точек и их практических приложений презентовал Ясухико Аракава (Yasuhiko Arakawa), директор Института нано-квантовой электроники (Institute for Nano Quantum Information Electronics) в Университете Токио. Ученый и его коллеги в 1982 году первыми предположили, что квантовые точки можно использовать для улучшения работы полупроводниковых лазеров. С тех пор квантовые точки успешно исследуется как в рамках фундаментальной физики твердого тела, так и с точки зрения практических приложений.

Что такое квантовая точка? Проще говоря, это фрагмент проводника или полупроводника настолько малого размера, что в них начинают проявляться квантовые эффекты. Обычно их выращивают на основе неорганических полупроводниковых материалов (часто на основе кремния), либо как часть большого полупроводникового кристалла, либо же их синтезируют в виде отдельных наночастиц. Квантовые точки так интересны ученым, потому что с их помощью можно управлять электрическими свойствами наночастиц, в том числе создавать лазеры на квантовых точках.

Ясухико Аракава
Ясухико Аракава

Ясухико Аракава представил историю развития научных работ в области квантовых точек, несколько методов создания лазеров на квантовых точках, а также свои исследования источников одиночных фотонов, которые используются в криптографии. Ученый также перечислил, в каких областях использование квантовых точек будет наиболее вероятным уже сейчас. Во-первых, на их основе можно создавать полупроводниковые лазеры для волоконно-оптических линий связи. Во-вторых, квантовые точки позволят организовать оптоэлектронную память нового типа, что будет способствовать разработке квантовых компьютеров. В-третьих, новые оптоэлектронные устройства могут привести к созданию качественно новых плоских дисплеев, которые сменят жидкокристаллические. Кроме того, высокая излучательная способность квантовых точек поможет повысить эффективность солнечных панелей до 75%, в то время как сейчас самые эффективные панели едва достигают 25% КПД.

Лазеры на основе топологических изоляторов

Это принципиально новая концепция лазера, которую на конференции описал один из ее создателей Моти Седжев (Moti Segev), профессор физики в Израильском технологическом институте Технион. Топологическими изоляторами называют материалы, которые проводят ток только на своей поверхности, а внутри остаются диэлектриками. При этом электроны на такой поверхности устойчивы к внешним возмущениям и каким-либо дефектам самого материала. Еще одна особенность таких материалов в том, что они проводят электроны только в одну сторону. Они были экспериментально открыты всего 10 лет назад. И до сих пор топологические изоляторы не рассматривались в контексте нелинейных систем с усилением, которой также является лазер.

Моти Седжев
Моти Седжев

Топологические изоляторы бывают двумерные и трехмерные. Для создания «топологического лазера» ученые использовали двумерные материалы, состоящие как бы из сетки переплетенных колец, связанных микроскопических резонаторов. Сами исследователи прозвали такой материал «фотонным графеном». Внешние кольца обладают так называемой «сверхпроводимостью». Это значит, что даже если на пути электронов, которые «текут» только по поверхности этой сетки, появятся какие-то дефекты, например, будет отсутствовать пара колец, проводимость все равно сохранится. Чтобы получить из этой сетки лазер, на нее подают энергию. Резонаторы на краю возбуждаются и начинают излучать фотоны на одинаковой частоте, что и значит лазерное излучение.

Чем хороши такие лазеры? В обычных лазерах выход из строя одного резонатора разрушит всю систему, так как теперь не все резонаторы будут излучать, упрощенно говоря, одинаковые фотоны. В «топологическом» же лазере даже при выпадении некоторых резонаторов система останется стабильной.

Моти Седжев в своем выступлении подчеркнул, что концепция «топологического» лазера открывает перед учеными новые фундаментальные задачи, а также призвал молодых ученых не бояться выходить за рамки классических представлений о состоянии тех или иных физических систем, чтобы получать совершенно новые устройства.

Также на пленарной сессии выступил Роберт Фейденхансл, руководитель проекта XFEL – рентгеновского лазера на свободных электронах, который находится в Гамбурге. Он рассказал об устройстве мегаустановки, показал «кино», в котором видно движение молекул, ведь с помощью лазера ученые могут буквально видеть, как происходят химические реакции. Недавно профессор Фейденхансл также участвовал в конференции Nanostructures for Photonics, где прокомментировал для ITMO.NEWS некоторые первые результаты работы лазера. Ученые международной научной лаборатории физики эпитаксиальных наноструктур Университета ИТМО в октябре начнут исследовать на XFEL нитевидные нанокристаллы на предмет динамики быстропротекающих процессов в кристаллической решетке при воздействии на нее очень коротких и высокоэнергетических импульсов когерентного лазерного света.

Роберт Фейденхансл
Роберт Фейденхансл

Конгресс Lasers&Photonics продлится до 8 июня.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба