Các nhà vật lí tại trường đại học Texas ở Austin, hợp tác với các đồng nghiệp ở Đài Loan và Trung Quốc, vừa phát triển laser bán dẫn nhỏ nhất thế giới, một bước đột phá hợp nhất công nghệ quang lượng tử với những ứng dụng từ điện toán đến y khoa.
Các nhà khoa học công bố kết quả của họ trên tạp chí Science số ra tuần này.
Ảnh minh họa cấu trúc bán dẫn cỡ nano dùng để chứng minh laser nano ngưỡng cực thấp. Một que nano đặt trên một màng mỏng bạc (dày 28 nm). Trường điện từ cộng hưởng được tập trung tại lớp trống silicon dioxide dày 5 nm kẹp giữa que nano bán dẫn và màng mỏng bạc phẳng đến cấp nguyên tử. Ảnh: Science.
Việc thu nhỏ kích cỡ của laser bán dẫn là yếu tố then chốt cho sự phát triển những công nghệ quang nhanh hơn, nhỏ hơn, và ít năng lượng hơn, ví dụ như những chip máy tính cực nhanh; những bộ sinh cảm biến cực nhạy dùng để phát hiện, xử lí và nghiên cứu bệnh tật; và những công nghệ viễn thông thế hệ tiếp theo.
Những dụng cụ quang lượng tử như thế có thể sử dụng laser nano để phát tín hiệu quang và truyền thông tin, và có tiềm năng thay thế cho các mạch điện tử. Nhưng kích cỡ và hiệu suất của các dụng cụ quang lượng tử bị hạn chế bởi cái gọi là giới hạn nhiễu xạ quang ba chiều.
“Chúng tôi vừa phát triển một dụng cụ laser nano hoạt động tốt dưới giới hạn nhiễu xạ 3D,” giáo sư vật lí Chih-Kang "Ken" Shih thuộc trường đại học Texas ở Austin cho biết. “Chúng tôi tin rằng nghiên cứu của mình có thể có tác động lớn đối với những công nghệ cỡ nano.”
Trong bài báo mới đăng, Shih và các đồng sự của ông báo cáo sự hoạt động đầu tiên của một laser sóng liên tục, ngưỡng thấp, dưới giới hạn nhiễu xạ 3D. Khi hoạt động, laser nano đó phát ra ánh sáng màu lục. Cái laser quá nhỏ để có thể nhìn thấy bằng mắt trần.
Dụng cụ gồm một que nano gallium nitride một phần chứa indium gallium nitride. Cả hai hợp kim là chất bán dẫn được sử dụng phổ biến ở đèn LED. Que nano được đặt lên trên một lớp mỏng silicon cách điện, lớp này lại chồng lên trên một lớp màng mỏng bạc phẳng ở cấp độ nguyên tử.
Đó là chất liệu mà phòng nghiên cứu của Shih đã hoàn thiện trong hơn 15 năm qua. “Tính phẳng đến mức nguyên tử” đó là cái then chốt để xây dựng những dụng cụ quang lượng tử không làm tán xạ và tiêu hao plasmon, sóng electron có thể dùng để di chuyển những lượng lớn dữ liệu.
“Những cấu trúc plasmon phẳng đến mức nguyên tử là những viên gạch cấu trúc đáng khao khát cho những ứng dụng với sự thất thoát dữ liệu thấp,” Shih nói.
Những laser nano như dụng cụ này có thể cung cấp nền tảng cho sự phát triển chip, nơi mọi quá trình được chứa trên con chip, cái gọi là những hệ truyền thông “trên chip”. Những dụng cụ này sẽ chống thu nhiệt và tổn thất thông tin thường xuất hiện với các dụng cụ điện tử cho dữ liệu đi qua giữa nhiều con chip.
Tham khảo: "Plasmonic Nanolaser Using Epitaxially Grown Silver Film", Y.-J. Lu et al., Science, 2012
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: Đại học Texas
