Первый поляритонный лазерный диод с электрической накачкой на основе перовскита
Учёные из Сколтеха (группа ВЭБ.РФ) и их коллеги из Университета ИТМО и НИУ ВШЭ впервые продемонстрировали прямую электрическую накачку поляритонного лазера на основе галогенидного перовскитного микрокристалла, полученного из раствора. Опубликованные в журнале Nature результаты представляют собой решение давней проблемы физики полупроводников и оптоэлектроники, которая десятилетиями оставалась препятствием на пути к решению технологической задачи: создать недорогие неэпитаксиальные лазерные диоды, работающие под непрерывным электрическим током. Такие устройства найдут применение в оптических сенсорах и спектроскопии, высокоскоростных вычислениях и энергоэффективных нейроморфных компьютерах. Исследование было поддержано программой Clover, Российским научным фондом (грант № 22-13-00436-П и грант № 23-72-00031), а также программой фундаментальных исследований НИУ ВШЭ HSE-BR-2025-069.
Рис. Архитектура поляритонного лазерного диода на основе перовскита: CsPbBr3 — формула перовскитного материала, а «бугорок» на его поверхности (на рисунке b) — место физического дефекта, где происходит конденсация захваченных поляритонов и генерация лазерного излучения. Источник: Анатолий Пушкарёв и др./Nature
Получаемые из раствора полупроводники включают органические материалы, квантовые точки и галогенидные перовскиты. Они представляют собой недорогую альтернативу сложным эпитаксиально выращенным кристаллам, которые синтезируют слой за слоем на поверхности твёрдой подложки. Однако создание электрически управляемых лазерных диодов на основе полупроводников из раствора долгое время оставалось чрезвычайно сложной задачей. При высокой плотности тока традиционные архитектуры светодиодов подвержены перегреву, который приводит к деградации материала.
Чтобы устранить это препятствие, научная группа Сколтеха воспользовалась уникальной физикой экситон-поляритонов — гибридных квазичастиц, возникающих при сильной связи между светом (фотонами) и связанными электрон-дырочными парами (экситонами) внутри оптического микрорезонатора. Благодаря своей бозонной природе поляритоны способны коллапсировать в единое макроскопическое квантовое состояние — бозе-эйнштейновский конденсат — и излучать когерентный лазерный свет при значительно более низких энергиях и плотностях заряда, чем в обычных полупроводниковых лазерах.
Исследователи интегрировали выращенный из раствора перовскитный пластинчатый микрокристалл с тонкоплёночными электродами из однослойных углеродных нанотрубок внутри высокодобротного оптического микрорезонатора. Применив специальный двухэтапный протокол криоохлаждения, команда добилась контролируемого пространственного перераспределения подвижных ионов, сформировав стабильный, "замороженный" PIN-диод.
Этот "замороженный" PIN-диод обеспечил эффективную инжекцию носителей заряда без разрушения кристаллической решётки перовскита. Под непрерывным постоянным электрическим током устройство продемонстрировало поляритонную генерацию при низком пороговом токе в 60 микроампер.
