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Des lasers de toutes les couleurs avec un seul semi-conducteur

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On sait faire des lasers à semi-conducteurs depuis longtemps. Les lasers à boîtes quantiques en sont les derniers avatars mais jusqu'à présent, on devait changer de matériaux pour obtenir des lasers de différentes couleurs efficaces. Une nouvelle technique permet désormais l'obtention de ces lasers uniquement en changeant la taille des boîtes quantiques.

Théodore Maiman et son premier laser optique à rubis. © Kathleen Maiman

On va bientôt fêter l'anniversaire de la création du premier laser dans le visible. C'est en effet le 16 mai 1960 que le physicien américain Theodor Maiman a, le premier, réussi à transposer dans le domaine optique le maser. De nos jours les types de lasers fonctionnant avec divers matériaux et à plusieurs longueurs d'onde se sont multipliés. Les usages sont aussi très divers puisqu'ils vont de la lecture des DVD à des applications plus exotiques comme le refroidissement d'ions afin de réaliser un simulateur quantique. De nouvelles applications et de nouvelles voies pour produire un effet laser sont sans cesse découvertes. En témoigne un article récemment publié dans Nature Nanotechnology par des physiciens de l'université de Brown aux États-Unis. Ces chercheurs sont parvenus à faire sauter un verrou dans la fabrication de certains lasers à boîtes quantiques.

Au départ, il s'agit de lasers à semi-conducteurs bien connus puisque les lecteurs de DVD en contiennent. Une boîte quantique n'est donc qu'une nouvelle incarnation de cette technique de production d'un effet laser. Les boîtes quantiques sont des paquets d'atomes aux propriétés électroniques intermédiaires entre celles des semi-conducteurs et celles des molécules discrètes. Elles ont été découvertes au début des années 1980 par le physicien du solide russe Alexei Ekimov.

Toutefois, l'une des limitations habituelles des lasers à semi-conducteur, bien qu'ils soient faciles à produire en masse et à bas prix, est qu'il faut changer la composition chimique du matériau si l'on veut obtenir différentes couleurs. Or, dans le cas de certaines boîtes quantiques colloïdales (colloidal quantum dotsou CQD en anglais) que l'on peut rendre fluorescentes dans le visible avec de la lumière ultraviolette, comme le montre l'image ci-dessous, il suffit de faire varier la taille nanométrique de ces boîtes pour obtenir des couleurs différentes.

Soumises à un rayonnement ultraviolet, des boîtes quantiques colloïdales (colloidal quantum dots ou CQD en anglais) faites d'un même matériau de diverses dimensions, deviennent fluorescentes dans le visible. © Andrey Rogach

Les chercheurs de l'université de Brown ont donc cherché un moyen d'obtenir facilement des lasers semi-conducteurs de différentes couleurs dans le visible à partir de boîtes quantiques constituées d'un même matériau mais de tailles différentes. On savait déjà réaliser des lasers à boîtes quantiques mais ils consommaient souvent beaucoup trop d'énergie.

Des lasers à boîtes quantiques 1.000 fois plus efficaces

En effet, lorsqu'on irradie des boîtes quantiques, il se forme ce qu'on appelle des excitons, des sortes de quasi-particules quantiques que l'on peut voir comme une paire électron-trou liée par des forces de Coulomb. Un exciton peut ainsi se former lorsqu'un photon est absorbé par un semi-conducteur, faisant passer un électron de la bande de valence à celle de conduction. Cela fait donc apparaître un défaut de charge dans la bande de valence que l'on peut considérer comme une particule de charge positive. L'électron dans la bande de conduction pouvant parfois être attiré par ce trou, il se forme l'équivalent d'un atome d'hydrogène.

Tout comme une population de ces atomes peut être le lieu de la manifestation d'un effet laser, une population d'excitons le permet aussi. Malheureusement, lorsque ces excitons se mettaient à émettre de la lumière dans les lasers à boîtes quantiques réalisés jusqu'à présent, beaucoup des photons émis étaient absorbés par des électrons qu'ils éjectaient des boîtes quantiques. Il s'agissait donc d'un effet Auger, bien connu avec des atomes excités par rayons X, en conséquence de quoi le rendement de l'effet laser obtenu était faible.

Pour contourner le problème, les physiciens ont recouvert des boîtes quantiques colloïdales en séléniure de cadmium d'une couche d'un alliage approprié de zinc, cadmium et soufre. Ils ont ainsi réalisé des CQD vertical-cavity surface-emitting laser (CQD-VCSEL) mille fois plus efficaces que les lasers à boîtes quantiques habituels.

Ces CQD-VCSEL sont des variantes des VCSEL, un type de diode laser à semi-conducteur émettant un rayon laser perpendiculairement à la surface, contrairement aux lasers conventionnels à semi-conducteurs émettant par la tranche. Le résonateur laser y est constitué de deux miroirs de Bragg parallèles, des couches alternées de matériaux d'indices de réfraction différents prenant en sandwich la région active contenant les boîtes quantiques. Les VCSEL sont employés dans la spectroscopie d'absorption, les applications optiques de souris de PC et la transmission de données dans les fibres optiques.

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