תהליך הלזירה [התהליך שבו מיוצר אור בלייזר Lasing] מבוסס על חומר הגברה [Gain] אשר עובר תהליך שאיבה [Pumping] שלאחריו החומר מסוגל להגביר קרן אופטית. קולואידים [תמיסות אחידות - ראו תמונת רקע] של ננו-גבישים של מוליכים למחצה הינם חומר מבטיח ביותר לדור החדש של לייזרים. אולם, במספר ניסיונות בעשור האחרון הצליחו לגרום להם להגביר אופטית קרני אור רק בתנאים קיצוניים, שאינם מתאימים לפיתוח טכנולוגיה חדשה. לאחרונה [2] הצליחה הקבוצה של קלימוב (V. I. Klimov) ושותפיו לכוון את רמות האנרגיה של הננו-גביש, כך שתהליך השאיבה ידרוש פחות אנרגיה. ייתכן כי פריצת דרך זו תאפשר לפתח שורה של לייזרים חדשים לשימוש מעשי בתחומי התקשורת והדיאגנוסטיקה הרפואית.

בין תכונותיו השימושיות של הננו-גביש, ניתן למנות את היכולת לשלוט באורך הגל של האור הנפלט (ראו צילומים של פלואורסנציה מתמיסות ננו-גבישים בתמונה הקטנה שמעל הכתבה). ניתן למשל להגיע באופן תיאורטי ללזירה באורכי גל אינפרה-אדומים בתחומים שאינם נגישים בקלות על-ידי לייזרים קיימים. בנוסף, ניתן ליצור ציפוי ממולקולות אורגניות מסביב לננו-גביש, אשר מסיבות כימיות מאפשר לשלב בקלות את הננו-גביש בתוך התקנים פוטוניים קיימים. לזירה מתרחשת בתהליך, אשר נחזה על-ידי אלברט אינשטיין לראשונה, בו פוטון אחד נבלע בגביש אולם נפלטים שניים. תהליך זה יכול להתרחש כאשר יש יותר אלקטרונים מעוררים בגביש מאשר אלקטרונים אשר נמצאים במצב היסוד. מצב זה, הנקרא "היפוך אוכלוסיה", דורש תהליך שאיבה, שהוא למעשה עירור (למשל אופטי) הננו-גביש למצב היפוך אוכלוסיה, וכן נדרשת החזקתו של המצב של היפוך האוכלוסייה עד שמגיע הפוטון. תכונה זו נקראת "זמן החיים" של הרמה האלקטרונית.

תיאור סכמטי של הניסוי

הבעייתיות ביצירת לזירה מן הננו-גביש טמונה במבנה הרמות האלקטרוניות שלו, והתהליכים המהירים אשר מתרחשים בו. בחלק (a) של התמונה משמאל אנו רואים את מצבי הננו-גביש האפשריים בזמן שתהליך השאיבה מתבצע: ב-NC1 אנו רואים שני אלקטרונים מעוררים, מצב אידיאלי של היפוך אוכלוסיה. לעומת זאת, המצבים NC2,3 מתארים מצב של עירור חלקי או ללא עירור בכלל. בגלל ריבוי האפשרויות הללו, ובנוסף בגלל תהליכים מהירים אשר "הורסים" את היפוך האוכלוסייה, בממוצע מסתבר כי רק תחת תנאים של שאיבה חזקה ביותר מתרחש היפוך אוכלוסיה יציב.

הקבוצה של קלימוב הצליחה לשנות, באמצעות הנדסה מתוחכמת של המבנה הגבישי, את מבנה הרמות של הננו-גביש, כך שמספיק עירור יחיד (ראו חלק (b)) כדי ליצור היפוך אוכלוסיה. זמן החיים של הרמה המעוררת הינו גדול פי 50 בגבישים החדשים ביחס לגבישים הרגילים. מאחר שעוצמת השאיבה הדרושה הינה פרופורציונית הפוך לזמן החיים של הרמה המעוררת, הרי שמדובר בשיפור בסדרי גודל.

הקוראים מוזמנים לשאול שאלות ולהציע שימושים לליזריים חדשים בעלי התכונות המתוארות בכתבה. בנוסף האם אתם מכירים שימושים נוספים לננו-גבישים?

בבליוגרפיה

[1] Todd D. Krauss, Less excitement for more gain, Nature 447, 385 (2007).

[2] Klimov, V. I. et al. Nature 447, 441-446 (2007).

 

מאת: ערן גנוסר
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.