Turun yliopiston tutkijat kertovat kehittäneensä uuden tavan valmistaa kiinteän olomuodon polaritonilasereita nestemäisestä liuoksesta. Uuden valmistusmenetelmän lisäksi keksintö tarjoaa tutkijoiden mukaan tehokkaan ja edullisen tavan tutkia polaritonien epälineaarisia vuorovaikutuksia. Yliopiston orgaanisen optoelektroniikan tutkimusryhmä  onnistui kehittämään kiinteän olomuodon orgaanisen mikrokaviteettilaserin, joka on valmistettu ensimmäistä kertaa kokonaan liuosprosessointimenetelmillä.

Uuden laserin toiminta perustuu vahvaan valon ja aineen väliseen vuorovaikutukseen, jonka seurauksena valo ja aine muodostavat polaritoneiksi kutsuttuja hybriditiloja. Kiinteän olomuodon lasereita hyödynnetään monissa nykyaikaisissa teknologioissa, kuten tietoliikenteessä, antureissa, lääketieteellisessä diagnostiikassa ja tiedon tallennuksessa.  Niiden valmistus edellyttää kuitenkin usein monimutkaisia ja paljon energiaa kuluttavia menetelmiä.

Tutkijoiden mukaanorgaanisia laserlaitteita voidaan valmistaa huomattavasti aiempaa yksinkertaisemmin: jokainen laitteen kerros voidaan valmistaa nestemäisestä liuoksesta sen sijaan, että kerrokset valmistettaisiin kalliimmalla laitteistolla käyttäen tyhjiöpinnoitusmenetelmiä.

’’Keskeinen tuloksemme on, että pystymme valmistamaan kokonaisen kiinteän olomuodon mikrokaviteettilaserin pelkästään liuosprosessoinnilla. Tämä on merkittävää, sillä se osoittaa, että laser voidaan valmistaa yksinkertaisella ja helposti skaalautuvalla menetelmällä ja samalla saavuttaa edistyneessä lasertutkimuksessa vaadittava korkea optinen laatu’’, kertoo Turun yliopiston apulaisprofessori Konstantinos Daskalakis.

Uudessa laserissa on sekä valoa vangitsevat peilit että orgaaninen valoa emittoiva kerros valmistettiin ns. spin coating -menetelmällä eli linkouspinnoituksella. Peilit muodostavat optisen mikrokaviteetin, jonka korkea laatu mahdollisti tutkijoille pääsyn valon ja aineen välisen vahvan vuorovaikutuksen alueelle. Tällöin valo ja molekyylit ikään kuin sekoittuvat keskenään muodostaen polaritoneiksi kutsuttuja hybriditiloja, jotka perivät sekä valon että aineen hyödylliset ominaisuudet.

’’Erityisen kiinnostavaa on se, että emme ainoastaan valmista yksinkertaista liuosprosessoinnilla tuotettua rakennetta, vaan saamme aikaan myös toimivan kiinteän olomuodon polaritonilaserin. Tämä tarjoaa tutkijoille huomattavasti saavutettavamman tavan kehittää ja tutkia tällaisia laitteita’’, sanoo tutkijatohtori Hassan Ali Qureshi.

Turun yliopiston tutkijoiden tekemässä tutkimuksessa havaittiin myös poikkeuksellinen ilmiö, kun laseria ajettiin voimakkaalla teholla. Sen sijaan, että valo olisi säteillyt vain viritetyn alueen keskeltä, se jakautui ulospäin ja muodosti renkaan kaltaisen kuvion. Ilmiö oli palautuva prosessi, jota voitiin hallita muuttamalla mikrokaviteetin optista rakennetta.

’’ Tämä oli meille erittäin kiinnostavaa, sillä pystyimme näkemään polaritonien välisten vuorovaikutusten seuraukset näkyvänä, makroskooppisena muutoksena niiden emittoimassa valossa. Säätämällä mikrokaviteettia voimme hallita tämän jakautumisen voimakkuutta. Tämä tarjoaa meille käytännöllisen keinon tutkia polaritonien epälineaarista käyttäytymistä’’, kertoo erikoistutkija Henri Lyyra.

Turkulaistutkijoiden mukaan uusi menetelmä on askel alan tutkimukselle, yksinkertaisempi ja edullisempi valmistustapa voi tehdä orgaanisten lasereiden ja polaritonien tutkimuksesta nykyistä helpommin saavutettavaa tutkimusryhmille ympäri maailman.

Pidemmällä aikavälillä menetelmä voi tukea tutkijoiden mukaan edullisten ja ympäristöystävällisempien valaisimien, anturien ja muiden fotonisten laitteiden kehittämistä sekä edistää sellaisten tulevaisuuden orgaanisten lasereiden kehitystä, joita voidaan ajaa sähköisesti.

Tutkimus toteutettiin Turun yliopiston kone- ja materiaalitekniikan laitoksella yhteistyössä Itä-Suomen yliopiston kanssa. Tutkimuksen tulokset on julkaistu Nature Communications -tiedelehdessä (LINKKI)

Kuva: Lasersäteellä viritetään liuosprosessoinnilla valmistettuja orgaanisia mikrokaviteetteja, mikä johtaa polaritonilaseriin ja mahdollistaa valon ja aineen välisen vahvan vuorovaikutuksen näkyvät vaikutukset. Kuva: Mikael Nyberg/Turun yliopisto.

Tietolaatikko

• Polaritoni: Valon ja aineen vahvan vuorovaikutuksen seurauksena syntyvä hybridihuikkanen, jolla on sekä valon että aineen hyödylliset ominaisuudet.
• Polaritonilaser: Perinteiseen laseriin verrattuna polaritonilaseria etuna on, että sitä voidaan käyttää pienemmällä teholla, se vaatii vähemmän tilaa ja kytkeytyy päälle ja pois ultranopeasti. Näistä ominaisuuksista on hyötyä tulevaisuuden optisessa laskennassa ja tiedonsiirrossa.
• Liuosprosessointi: Menetelmä, jossa nesteisiin liuotetuista materiaaleista valmistetaan päällekkäin ohuita kerroksia, jotka ovat kymmenien nanometrien paksuisia – vain tuhannesosan hiuksen paksuudesta. Ohutkalvorakenne muodostaa mikrokaviteetin, jossa polaritonit syntyvät. Yleisesti käytettyihin valmistusmenetelmiin verrattuna se toimii yksinkertaisemmalla ja edullisemmalla laitteistolla ja kuluttaa vähemmän energiaa.