Λέιζερ που θα πρέπει να μπορούν να κλιμακωθούν σε αυθαίρετα υψηλές δυνάμεις διατηρώντας την καθαρότητα συχνοτήτων τους έχουν παραχθεί από ερευνητές στις ΗΠΑ. Η εφεύρεσή τους, η οποία βασίζεται σε ένα ανάλογο της φυσικής των ηλεκτρονίων σε έναν ημιαγωγό Dirac όπως το γραφένιο, λύνει ένα πρόβλημα που χρονολογείται από την εφεύρεση του λέιζερ. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι το έργο τους θα μπορούσε επίσης να εμπνεύσει θεμελιώδεις θεωρητικές ανακαλύψεις στην κβαντική μηχανική σε μακροσκοπική κλίμακα.
Οποιοδήποτε λέιζερ περιλαμβάνει βασικά δύο βασικά συστατικά: μια κοιλότητα και ένα μέσο απολαβής - συνήθως έναν ημιαγωγό, εξηγεί Μπουμπακάρ Καντέ του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ – ο ανώτερος συγγραφέας μιας εργασίας που θα εμφανιστεί στο Φύση περιγράφοντας τα λέιζερ. «Ο ημιαγωγός εκπέμπει ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων και η κοιλότητα επιλέγει ποια συχνότητα θα ενισχυθεί για να φτάσει το όριο λέιζινγκ».
Το πρόβλημα είναι ότι οποιαδήποτε κοιλότητα θα υποστηρίξει όχι μόνο μια «θεμελιώδη» συχνότητα βασικής κατάστασης ενός λέιζερ, αλλά και αρκετές διεγερμένες καταστάσεις υψηλότερης συχνότητας. Η άντληση της κοιλότητας πιο σκληρά για την ενίσχυση της ισχύος του λέιζερ αναπόφευκτα τείνει να διεγείρει αυτές τις καταστάσεις υψηλότερης συχνότητας προς το κατώφλι λέιζερ. Τα λέιζερ υψηλότερης ισχύος χρειάζονται μεγαλύτερες κοιλότητες, αλλά αυτές υποστηρίζουν ένα πυκνότερο φάσμα συχνοτήτων.
Κανείς δεν ήξερε τι να κάνει για αυτό
«Εάν το κέρδος επικαλύπτεται μόνο με το θεμελιώδες, τότε μόνο το θεμελιώδες θα χαθεί και οι άνθρωποι κάνουν νανολέιζερ όλη την ώρα χωρίς πρόβλημα», λέει ο Kanté. «Αλλά εάν η λειτουργία υψηλότερης τάξης πλησιάσει, δεν μπορείτε να διακρίνετε μεταξύ των δύο και θα κάνουν και οι δύο lase. Αυτό είναι ένα πρόβλημα έξι δεκαετιών: όλοι το ξέρουν και κανείς δεν ξέρει τι να κάνει για αυτό».
Μέχρι τώρα δηλαδή. Εάν η θεμελιώδης λειτουργία κοιλότητας ήταν σε θέση να απορροφήσει όλη την ενέργεια από το μέσο απολαβής, σκέφτηκαν οι ερευνητές, όλοι οι τρόποι ανώτερης τάξης θα καταστέλλονταν. Το πρόβλημα σε μια συμβατική κοιλότητα λέιζερ είναι ότι η κυματοσυνάρτηση θεμελιώδους κατάστασης βρίσκεται στο μέγιστο της στο κέντρο της κοιλότητας και πέφτει στο μηδέν προς τα άκρα. «Σε οποιαδήποτε επιφάνεια που εκπέμπει λέιζερ, ή οποιαδήποτε κοιλότητα που γνωρίζουμε μέχρι σήμερα… δεν υπάρχει λέιζινγκ [στη θεμελιώδη συχνότητα] από την άκρη», εξηγεί ο Kanté. «Αν δεν υπάρχει lasing από την άκρη, έχετε πολλά διαθέσιμα κέρδη εκεί. Και γι' αυτό η λειτουργία δεύτερης τάξης μένει στο όριο και πολύ σύντομα το λέιζερ γίνεται multimode."
Για να ξεπεράσουν αυτό το πρόβλημα, ο Kanté και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν φωτονικούς κρυστάλλους. Πρόκειται για περιοδικές δομές, οι οποίες, όπως και οι ηλεκτρονικοί ημιαγωγοί, έχουν «κενά ζώνης» – συχνότητες στις οποίες είναι αδιαφανείς. Όπως το γραφένιο στα ηλεκτρονικά, οι φωτονικοί κρύσταλλοι περιέχουν γενικά κώνους Dirac στις δομές ζώνης τους. Στην κορυφή ενός τέτοιου κώνου βρίσκεται το σημείο Dirac, όπου κλείνει το διάκενο της ζώνης.
Εξαγωνικός φωτονικός κρύσταλλος
Οι ερευνητές σχεδίασαν μια κοιλότητα λέιζερ που περιείχε ένα εξαγωνικό φωτονικό κρυσταλλικό πλέγμα που ήταν ανοιχτό στις άκρες, επιτρέποντας στα φωτόνια να διαρρεύσουν στον χώρο γύρω από τον κρύσταλλο, πράγμα που σημαίνει ότι η κυματοσυνάρτηση δεν περιοριζόταν στο μηδέν στην άκρη του. Ο φωτονικός κρύσταλλος είχε σημείο Dirac σε μηδενική ορμή. Καθώς η ορμή είναι ανάλογη με το διάνυσμα κύματος, το διάνυσμα κύματος εντός επιπέδου ήταν επομένως μηδέν. Αυτό σημαίνει ότι η κοιλότητα πράγματι υποστήριζε έναν τρόπο λειτουργίας που είχε μονή τιμή σε όλο το πλέγμα. Με την προϋπόθεση ότι η κοιλότητα αντλείται με την ενέργεια αυτού του τρόπου λειτουργίας, καμία ενέργεια δεν μπήκε ποτέ σε καμία άλλη λειτουργία, ανεξάρτητα από το πόσο μεγάλη είναι η κοιλότητα. «Το φωτόνιο δεν έχει ορμή εντός του επιπέδου, οπότε το μόνο που απομένει είναι να διαφύγει κατακόρυφα», εξηγεί ο Kanté.
Οι ερευνητές κατασκεύασαν κοιλότητες που αποτελούνταν από 19, 35 και 51 τρύπες: «Όταν δεν αντλείτε στην ιδιομορφία της συχνότητας Dirac, βλέπετε lasing σε πολλαπλές κορυφές», λέει ο Kanté. «Στη ιδιαιτερότητα του Dirac, δεν γίνεται ποτέ multimode. Η επίπεδη λειτουργία αφαιρεί το κέρδος για τις λειτουργίες υψηλότερης τάξης." Η θεωρητική μοντελοποίηση προτείνει ότι το σχέδιο θα πρέπει να λειτουργεί ακόμη και για κοιλότητες που περιέχουν εκατομμύρια τρύπες.
Η τοπολογική πηγή εκπέμπει φως με υψηλή και πολλαπλή τροχιακή γωνιακή ροπή
Στο μέλλον, ο Kanté πιστεύει ότι οι έννοιες που αναπτύχθηκαν από την ομάδα του θα μπορούσαν να έχουν επιπτώσεις στην ίδια την ηλεκτρονική και στην επεκτασιμότητα της κβαντικής μηχανικής στον μακροσκοπικό κόσμο γενικότερα. «Όλη η πρόκληση στην κβαντική επιστήμη είναι η κλιμάκωση», λέει. «Οι άνθρωποι εργάζονται πάνω σε υπεραγώγιμα qubits, παγιδευμένα άτομα, ελαττώματα σε κρυστάλλους…το μόνο που θέλουν να κάνουν είναι η κλίμακα. Ο ισχυρισμός μου είναι ότι έχει να κάνει με τη θεμελιώδη φύση της εξίσωσης Schrödinger: όταν το σύστημα είναι κλειστό, δεν κλιμακώνεται. Εάν θέλετε το σύστημα να κλιμακωθεί, το σύστημα πρέπει να έχει απώλεια», λέει.
Λιανγκ Φενγκ του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια προσθέτει, «Το λέιζερ ευρείας περιοχής μονής λειτουργίας είναι ένα από τα ιερά δισκοπότηρα που επιδιώκει ενεργά η κοινότητα των λέιζερ ημιαγωγών και η επεκτασιμότητα είναι το πιο κρίσιμο πλεονέκτημα». «[Το έργο του Kante] δείχνει ακριβώς αυτό που αναζητούν οι άνθρωποι και επιδεικνύει εξαιρετική επεκτασιμότητα που υποστηρίζεται από εξαιρετικά πειραματικά αποτελέσματα. Προφανώς χρειάζεται περισσότερη δουλειά για να μετατραπεί αυτή η στρατηγική, που αποδεικνύεται στα λέιζερ με οπτική αντλία, σε βιώσιμα λέιζερ διόδου με ηλεκτρική έγχυση, αλλά μπορούμε να αναμένουμε ότι αυτή η εργασία θα εμπνεύσει μια νέα γενιά λέιζερ υψηλής απόδοσης που μπορεί να ωφελήσει πολλαπλές βιομηχανίες που αλλάζουν το παιχνίδι όπως τα συστήματα εικονικής και επαυξημένης πραγματικότητας, τα LiDAR, η άμυνα και τόσα άλλα όπου τα λέιζερ παίζουν κρίσιμους ρόλους».
Η ομάδα έχει ονομάσει τη συσκευή της Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) και την περιγράφει σε μη επεξεργασμένη έκδοση προεπισκόπησης του χαρτιού τους που είναι προς το παρόν διαθέσιμο στο Φύση ιστοσελίδα.
