ابداع نانو لیزرهای جدید

با تنها چند نقطه کوانتومیلیزر که یکی از با ارزش‌ترین ابزارهای علمی به شمار می‌رود روز به روز کوچکتر و کارآمدتر می‌شود. اخیراً دانشمندان موفق شده‌اند لیزر کوچکی طراحی کنند که ابعاد نانومتری و همچنین افت نوری کم آن می‌تواند آن را به وسیله‌ای پرکاربرد در توسعه آینده مدارهای مجتمع نوری تبدیل کند.
پرتو لیزر در مقایسه با یک فلاش معمولی، شدت بیشتری داشته و یک نور تک فام بسیار متمرکز به شمار می‌آید. همه این خواص ناشی از برهم‌کنش محیط و حفره نوری می‌باشد. برای آنکه یک لیزر بتواند نقطه رنگی کوچک خود را ایجاد کند لازم است تا محیط فعال که پرتو لیزر را تقویت می‌کند، دارای فوتون‌هایی باشد که همگی با یک طول موج و طی فرآیندی به نام "گسیل تحریک شده"، گسیل شوند.
شکل A : الگوی مربوط به پوسته GaAs سوراخ‌دار حاصل از میکروسکوپ الکترونی را مشاهده می‌کنید. سه حفره‌ای که در ردیف مرکزی جایشان خالی است نشان دهنده نانوحفره‌ای است که نور را محدود می‌کند. برای تنظیم دقیق میدان الکترومغناطیسی از یک حامل موج (W) استفاده کرده و اندازه حفره‌های مجاور را تغییر داده و آنها را جابجا می‌کند.
در حالیکه تولید کافی گسیل تحریکی، غالباً نیاز به مقدار زیادی gain material دارد، دانشمندان روشی را کشف کرده‌اند که طی آن می‌توان تنها با مقدار کمی ماده کوچک به نام نقاط کوانتومی، یک نانو لیزر تولید نمود. فیزیکدانان UC Santa Barbara دانشگاه پاویا ایتالیا، نوعی نانو ابزار جدید طراحی کرده‌اند که تنها با چهار نقطه کوانتومی کار می‌کند. گزارشی از این طرح که عملکرد لیزری فوق‌العاده کارآمدی را فراهم می‌کند در شماره اخیر مجله Physical Review letters به چاپ رسیده است. Stefan Strauf از همکاران این طرح می‌گوید: در حالیکه لیزرهای نقطه کوانتومی معمول به پرتوهای لیزری سیار با هزاران نقطه نیاز دارند. در این طرح جدید از یکی از خواص نقاط کوانتومی یعنی تنظیم مؤثر خود بخودی طول موج فوتون گسیل شده از آنها به طوریکه با حفره نوری به حال تشدید برسد استفاده شده است. به این ترتیب وقتی محیط با حفره نوری به حال تشدید برسد، می‌توان یک لیزر ایجاد نمود.
هر کدام از این نقاط کوانتومی انرژی گذار بسیار تیزی دارند و تعداد زیادی از آنها با توجه به تغییر اندازه طبیعی شان می‌تواند پهنای باند گسیل وسیعی را نشان دهد. در حالیکه وجود چنین گسیل پهنی این نقاط کوانتومی را به محیط دریافت ایده‌آلی برای لیزرهای با حجم بزرگ تبدیل می‌کند اما به دلیل آنکه تعدادی از این نقاط کوانتومی به دلیل گذار تیزخود دیگر با حفره لیزری به تشدید نمی‌رسند، کوچک‌سازی این ابزار را با چالش مواجه می‌کند.
شکل B تصویری از شکل میدان به دست آمده اطراف منطقه نانو حفره تنظیم شده را نشان می‌دهد و رنگ زرد – سفید نشاندهنده بالاترین توان میدان است.
شکل C تصویر حاصل از یک میکروسکوپ نیروی اتمی است و یک لایه نوعی از ماده دریافت کننده (gain material) تشکل از نقاط کوانتومی با چگالی کم را نشان می‌دهد که زیر سطح یک غشاء قرار داده شده‌اند. نقاط روشن تک نقطه‌های کوانتومی InAS با اندازه تقریبی ۲۰ nm می‌باشند. دایره‌های آبی خط چین هم نشان‌دهنده آن است که به طور متوسط تنها تعداد محدودی نقطه کوانتومی به طور فضایی داخل میدان نانوحفره قرار می‌گیرند.
اما دانشمندان بالاخره راهی برای رفع این مشکل یافتند آنها با قرار دادن این نقاط در یک نانوحفره بلور فوتونیک توانستند نور را به حجم بسیار کوچکی محدود کنند. بلور فوتونیک را هم می‌توان با ایجاد سوراخ‌های زیاد در یک غشاء نازک از ماده‌ای نیم رسانا مانند GaAs (همانند شکل فوق) به وجود آورد. با چنین طرح خاصی، توزیع تنظیم شده بسیار یکنواختی از میدان مغناطیسی داخلی نانو حفره ایجاد شده و موجب بهینه شدن هم پوشانی نقاط کوانتومی تعبیه شده داخل آن با سطح میدان می‌شود به این ترتیب کیفیت حفره هم افزایش خواهد یافت.
این فرآیند بهینه‌سازی را می‌توان بسیار شبیه به تنظیم دقیق و ماهرانه یک ویولن برای تولید طنین تشدید دانست که بجای صوت از نور استفاده شده است.
چنین طرحی به طور چشمگیری مانع از گسیل نقطه‌ها در انرژی‌های حساس طبیعی خود شده و آنها را وادار می‌کند تا با حامل‌های الکترونی که درست در اطراف آنها وجود دارد بر هم کنش نمایند. از آنجا که این برهم کنش انرژی اضافه‌ای ایجاد می‌کند، لذا این نقاط می‌توانند خود، رنگ گسیل خودشان را در حالت تشدید با حفره تنظیم کنند. با توجه به اینکه این برهم کنش، بسیار عمیق می‌باشد، بهبود پدید آمده در این نانو لیزرها و مقادیر آستانه لیزری آن صدها برابر بیش از هر نوع لیزر نیم رسانای دیگری می‌باشد.
علاوه بر رکورد آستانه لیزری پائین که تنها با دو نقطه کوانتومی پدید می‌آید، دانشمندان دریافتند که کارایی نوری چنین لیزری نسبت به ابزارهای نقاط کوانتومی با چگالی بالا، به مراتب بیشتر است. این گروه از محققان با اندازه‌گیری بازده نوری با ضریب جفت شدگی گسیل خود بخودی (که حد نظری آن ۱ است) دریافتند که این روش جدید مقدار ۰.۸۵ را نشان می‌دهد، در حالیکه همین ضریب در لایه‌های نقاط کوانتومی چند لایه در محدوده ۰.۱ تا ۰.۲ است.
آستانه پائین لیزری این روش در کنار بازدهی‌های آن، نانو لیزرها را به وسایلی مفید در کاربردهای آینده مدارهای مجتمع فوتونیکی روی یک تراشه و یا در حسگرهای زیستی تک مولکولی بدل می‌کند. نکته قابل توجه اینکه چنین نانولیزرهایی را می‌توان با چند و حتی یک نقطه کوانتومی ایجاد نمود.

منبع : ستارگان کویر یزد