أنتج باحثون في الولايات المتحدة الليزر الذي يجب أن يكون قابلاً للتطوير إلى قوى عالية بشكل تعسفي مع الاحتفاظ بنقاء ترددها. اختراعهم ، الذي يعتمد على نظير فيزياء الإلكترونات في أشباه موصلات ديراك مثل الجرافين ، يحل مشكلة تعود إلى اختراع الليزر. يعتقد الباحثون أن عملهم يمكن أن يلهم أيضًا الاكتشافات النظرية الأساسية في ميكانيكا الكم على المقاييس العيانية.
يشتمل أي ليزر بشكل أساسي على مكونين أساسيين: تجويف ووسيط كسب - عادة ما يكون أشباه الموصلات ، كما يشرح ذلك بوبكر كانتي من جامعة كاليفورنيا ، بيركلي - مؤلف الورقة البحثية التي ستظهر في الطبيعة وصف الليزر. "يصدر أشباه الموصلات نطاقًا واسعًا من الترددات ، ويحدد التجويف التردد الذي سيتم تضخيمه للوصول إلى عتبة الليزر."
تكمن المشكلة في أن أي تجويف لن يدعم فقط ترددًا "أساسيًا" للحالة الأرضية لليزر ، ولكن أيضًا العديد من الحالات المثارة ذات التردد العالي. إن ضخ التجويف بشكل أكثر صعوبة لتعزيز قوة الليزر يميل حتمًا إلى إثارة حالات التردد العالي هذه نحو عتبة الليزر. تحتاج أجهزة الليزر عالية الطاقة إلى تجاويف أكبر ، لكنها تدعم طيفًا أكثر كثافة من الترددات.
لا أحد يعرف ماذا يفعل حيال ذلك
يقول كانتي: "إذا تداخل المكسب مع الأساسي فقط ، فعندئذٍ فقط سوف يكون المكسب الأساسي ، والناس يصنعون شخصيات نانوية طوال الوقت دون أي مشكلة". "ولكن إذا اقترب وضع الترتيب الأعلى ، فلا يمكنك التمييز بين الاثنين وسيصبح كلاهما ضعيفًا. هذه مشكلة عمرها ستة عقود: الجميع يعرفها ، ولا أحد يعرف ماذا يفعل حيالها ".
حتى الآن ، هذا هو. استنتج الباحثون أنه إذا كان وضع التجويف الأساسي قادرًا على امتصاص كل الطاقة من وسيط الكسب ، فسيتم قمع جميع أنماط الترتيب الأعلى. تكمن المشكلة في تجويف الليزر التقليدي في أن الدالة الموجية للحالة الأرضية في أقصى حد لها في مركز التجويف وتنخفض إلى الصفر باتجاه الحواف. يوضح Kanté: "في أي سطح ينبعث منه ليزر ، أو أي تجويف نعرفه حتى الآن ... لا يوجد ليزر [عند التردد الأساسي] من الحافة". "إذا لم يكن هناك ليزر من الحافة ، فلديك الكثير من المكاسب المتاحة هناك. وبسبب ذلك ، يعيش وضع الترتيب الثاني على الحافة ، وسرعان ما يصبح الليزر متعدد الأوضاع ".
للتغلب على هذه المشكلة ، استخدم كانتي وزملاؤه البلورات الضوئية. هذه هياكل دورية ، مثل أشباه الموصلات الإلكترونية ، لها "فجوات نطاق" - ترددات تكون غير شفافة عندها. مثل الجرافين في الإلكترونيات ، تحتوي البلورات الضوئية عمومًا على أقماع ديراك في هياكل عصاباتها. في قمة هذا المخروط توجد نقطة ديراك ، حيث تغلق فجوة النطاق.
بلورة فوتونية سداسية
صمم الباحثون تجويفًا ليزريًا يحتوي على شبكة بلورية فوتونية سداسية الشكل مفتوحة عند الحواف ، مما يسمح للفوتونات بالتسرب إلى الفضاء حول البلورة ، مما يعني أن الدالة الموجية لم تكن محصورة عند حافتها صفر. البلورة الضوئية لها نقطة ديراك عند صفر زخم. نظرًا لأن الزخم يتناسب مع متجه الموجة ، فإن متجه الموجة داخل المستوى كان صفرًا. هذا يعني أن التجويف كان يدعم بالفعل وضعًا تم تقييمه بشكل فردي في جميع أنحاء الشبكة. شريطة أن يتم ضخ التجويف بطاقة هذا الوضع ، لم تدخل أي طاقة في أي وضع آخر ، بغض النظر عن حجم التجويف. يوضح كانتي: "ليس للفوتون زخم داخل الطائرة ، لذا فإن الشيء الوحيد المتبقي هو أن يهرب عموديًا".
قام الباحثون بصنع تجاويف تتكون من 19 و 35 و 51 ثقبًا: "عندما لا تقوم بالضخ عند تفرد تردد ديراك ، فإنك ترى الليزر عند قمم متعددة" ، كما يقول كانتي. "عند تفرد ديراك ، فإنه لا يصبح متعدد الأنماط أبدًا. يزيل الوضع المسطح الكسب لأوضاع الترتيب الأعلى. " تشير النمذجة النظرية إلى أن التصميم يجب أن يعمل حتى مع التجاويف التي تحتوي على ملايين الثقوب.
ينبعث من المصدر الطوبولوجي الضوء بعزم زاوية مداري عالي ومتعدد
في المستقبل ، يعتقد كانتي أن المفاهيم التي طورها فريقه يمكن أن يكون لها آثار في الإلكترونيات نفسها ، وعلى قابلية توسيع ميكانيكا الكم إلى العالم الماكروسكوبي بشكل عام. يقول: "كل التحدي في علم الكم هو التوسع". "يعمل الناس على كيوبتات فائقة التوصيل ، وذرات محاصرة ، وعيوب في البلورات ... الشيء الوحيد الذي يريدون القيام به هو الحجم. ادعائي هو أن الأمر يتعلق بالطبيعة الأساسية لمعادلة شرودنغر: عندما يكون النظام مغلقًا ، فإنه لا يتسع ؛ إذا كنت تريد أن يتوسع النظام ، فيجب أن يتعرض النظام للخسارة ، "كما يقول.
ليانغ فنغ من جامعة بنسلفانيا ، "يعتبر ليزر المنطقة العريضة أحادي النمط أحد الأهداف المقدسة التي يسعى إليها مجتمع ليزر أشباه الموصلات بنشاط ، وقابلية التوسع هي الميزة الأكثر أهمية". يوضح [عمل Kanté] فقط ما يبحث عنه الناس ، ويظهر قابلية تطوير استثنائية مدعومة بنتائج تجريبية ممتازة. من الواضح أن هناك المزيد من العمل الذي يتعين القيام به لتحويل هذه الإستراتيجية ، الموضحة في الليزر الذي يتم ضخه بصريًا ، إلى ليزر ديود قابل للتطبيق كهربائيًا ، ولكن يمكننا أن نتوقع أن هذا العمل سيلهم جيلًا جديدًا من أجهزة الليزر عالية الأداء التي يمكن أن تفيد العديد من الصناعات المتغيرة للعبة مثل أنظمة الواقع الافتراضي والواقع المعزز وأنظمة LiDAR والدفاع وغيرها الكثير حيث يلعب الليزر أدوارًا مهمة ".
أطلق الفريق على جهازه اسم Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) ووصفه بلغة نسخة معاينة غير محررة من ورقتهم المتوفر حاليًا على الطبيعة موقع الكتروني.
