Mid-infrared distributed-feedback lasing from black phosphorus under nanosecond excitation
本論文は、シリコンフォトニクス・グレーティング上に集積された黒リンを用いた、室温動作可能で波長可変な中赤外分布帰還型レーザーを実証しており、ナノ秒励起下での低い発振しきい値を達成し、シリコンフォトニクスとのヘテロ集積に向けた有望なプラットフォームを提供している。
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赤外線スペクトルの真ん中を旅する光は、目に見えないものを見るための強力なツールです。人間の目には見えないすぐ先に位置するこの特定の光の帯は、大気を容易に通り抜け、分子の化学結合と強く相互作用します。このため、科学者や技術者たちは、空気中の汚染物質を検出したり、呼気分析を通じて病気を診断したり、あるいは長距離でワイヤレスにデータを通信したりするために、この光の信頼できる光源を長年追い求めてきました。数十年にわたり、この光を生成する装置は扱いが難しいものでした。それらは通常、原子レベルの精度で共に成長させなければならない、異なる結晶材料の複雑な積層構造から作られています。これらの伝統的なレーザーは優れた性能を発揮しますが、その硬直した製造要件により、現代の電子機器を動かしているシリコンチップと組み合わせることが困難になっています。この溝を埋めるために、研究者たちは新しいクラスの材料、すなわち、下地の結晶構造を完全に一致させる必要がなく、ステッカーのように剥がしてほぼあらゆる表面に貼り付けることができる、薄く柔軟な原子のシートへと目を向けました。
これらシート状の材料の中でも、黒リン（ブラックフォスフォラス）は、中赤外光を生成するための特に有望な候補として浮上しています。狭い範囲でしか機能しない他の多くの材料とは異なり、黒リンは厚さを変えるだけで異なる色の光を放出するように調整することができます。しかし、この材料を実用的なレーザーに変えることは課題でした。これまでの実験では、黒リンは極めて短く強烈な、わずか1000兆分の1秒間続くエネルギーのバーストを受けた時にのみ、レーザー光を生成できることが示されていました。これらの束の間のパルスは、維持することが困難な、混沌とした短命な励起粒子の状態を作り出します。実用的なデバイスへと移行するためには、研究者は、黒リンがより管理しやすい条件、具体的には標準的な電子機器が扱えるものに近い、1000倍長いパルスの下でもレーザー発振できることを証明する必要がありました。
ポリテクニーク・モントリオールの研究チームは、まさにこれを実証しました。彼らは、微細な溝が刻まれた表面である二酸化ケイ素グレーティングの上に、黒リンの薄いフレークを直接配置したレーザーを構築しました。このグレーティングは鏡として機能し、薄いシート内に光を閉じ込め、集中したビームとして放出されるのに十分なエネルギーが蓄積されるまで、光を何度も往復させます。黒リンの結晶構造をグレーティングの溝に注意深く合わせることで、チームは光を効率的に導くことができました。10億分の1秒間続くレーザーパルスを装置に照射すると、黒リンは中赤外領域における鋭く狭い光のビームを放出して反応しました。この光の色は固定されておらず、研究者はフレークの厚さを変えることで、センシング用途に不可欠な窓である3.79から4.05マイクロメートルの波長に、出力を調整することができました。
この新しいレーザーの性能は、特に発振を開始するために必要なエネルギーに関して、非常に印象的なものでした。室温において、このデバイスはわずか0.25ミリジュール毎平方センチメートルのポンプエネルギーでレーザー発振を開始しました。これは驚くほど低い閾値であり、この材料がエネルギーを光に変換する上で非常に効率的であることを示唆しています。研究者がデバイスを110ケルビンまで冷却すると、レーザーを開始するために必要なエネルギーは10分の1の0.015ミリジュール毎平方センチメートルに低下しました。この劇的な改善は、室温におけるこの材料の光生成能力が熱と粒子の相互作用によって制限されているものの、低温環境では極めて優れた性能を発揮することを示しています。また、研究は黒リンフレークの厚さが重要な役割を果たすことも明らかにしました。厚いフレークほど光をより効果的に閉じ込め、それがレーザー発振状態に達するために必要なエネルギーを下げることに貢献しました。
この研究は、コンパクトで集積可能な光源の開発における重要な一歩となります。黒リンがナノ秒励起の下でレーザー光を生成できることを証明したことで、研究者たちは、外部レーザーの代わりに一定の電流がデバイスに電力を供給する電気的操作に必要な条件へと、この材料を近づけました。複雑な結晶成長を必要とせずに、これらのレーザーをシリコンチップ上に直接統合できる能力は、次世代のセンサーや通信ツールの扉を開きます。現在の実験は光ポンピングに依存していますが、ここでの低いエネルギー閾値は、このレーザーの完全な電気的バージョンが現実的な可能性であることを示唆しており、中赤外センシングの力をより幅広い日常的なテクノロジーへと普及させる可能性を秘めています。
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