Investigadores estadounidenses han producido láseres que deberían ser escalables a potencias arbitrariamente altas mientras conservan su pureza de frecuencia. Su invención, que se basa en un análogo a la física de los electrones en un semiconductor de Dirac como el grafeno, resuelve un problema que se remonta a la invención del láser. Los investigadores creen que su trabajo también podría inspirar descubrimientos teóricos fundamentales en mecánica cuántica a escalas macroscópicas.
Cualquier láser consta fundamentalmente de dos componentes esenciales: una cavidad y un medio de ganancia, generalmente un semiconductor, explica Boubacar Kanté de la Universidad de California, Berkeley, autor principal de un artículo que aparecerá en Naturaleza describiendo los láseres. “El semiconductor emite una amplia gama de frecuencias y la cavidad selecciona qué frecuencia se amplificará para alcanzar el umbral de láser”.
El problema es que cualquier cavidad admitirá no solo una frecuencia "fundamental" de estado fundamental de un láser, sino también varios estados excitados de mayor frecuencia. Bombear la cavidad con más fuerza para aumentar la potencia del láser inevitablemente tiende a excitar estos estados de frecuencia más alta hacia el umbral del láser. Los láseres de mayor potencia necesitan cavidades más grandes, pero admiten un espectro de frecuencias más denso.
Nadie sabía qué hacer al respecto.
“Si la ganancia solo se superpone con la fundamental, entonces solo la fundamental emitirá láser, y la gente fabrica nanoláseres todo el tiempo sin problemas”, dice Kanté. “Pero si el modo de orden superior se acerca, no se puede distinguir entre los dos y ambos se dispararán. Este es un problema de seis décadas: todo el mundo lo sabe y nadie sabe qué hacer al respecto”.
Hasta ahora, eso es. Si el modo de cavidad fundamental pudiera absorber toda la energía del medio de ganancia, razonaron los investigadores, todos los modos de orden superior serían suprimidos. El problema en una cavidad láser convencional es que la función de onda del estado fundamental es máxima en el centro de la cavidad y cae a cero hacia los bordes. “En cualquier superficie que emita láser, o cualquier cavidad que conozcamos hasta la fecha… no hay emisión láser [en la frecuencia fundamental] desde el borde”, explica Kanté; “Si no hay láser desde el borde, tiene mucha ganancia disponible allí. Y debido a eso, el modo de segundo orden vive en el borde, y muy pronto el láser se convierte en multimodo”.
Para solucionar este problema, Kanté y sus colegas utilizaron cristales fotónicos. Estas son estructuras periódicas que, como los semiconductores electrónicos, tienen "bandas prohibidas", frecuencias en las que son opacas. Al igual que el grafeno en la electrónica, los cristales fotónicos generalmente contienen conos de Dirac en sus estructuras de bandas. En el vértice de dicho cono está el punto de Dirac, donde se cierra la brecha de la banda.
Cristal fotónico hexagonal
Los investigadores diseñaron una cavidad láser que contenía una red de cristal fotónico hexagonal que estaba abierta en los bordes, lo que permitía que los fotones se filtraran en el espacio alrededor del cristal, lo que significa que la función de onda no se limitó a ser cero en su borde. El cristal fotónico tenía un punto de Dirac con momento cero. Como el momento es proporcional al vector de onda, el vector de onda en el plano era cero. Esto significa que la cavidad de hecho admitió un modo que tenía un solo valor en toda la red. Siempre que la cavidad se bombeara con la energía de este modo, ninguna energía pasaría nunca a ningún otro modo, sin importar el tamaño de la cavidad. “El fotón no tiene impulso en el plano, por lo que lo único que le queda es escapar verticalmente”, explica Kanté.
Los investigadores fabricaron cavidades que comprenden 19, 35 y 51 agujeros: "Cuando no está bombeando en la singularidad de frecuencia de Dirac, ve rayos láser en múltiples picos", dice Kanté. “En la singularidad de Dirac, nunca se convierte en multimodo. El modo plano elimina la ganancia de los modos de orden superior”. El modelado teórico sugiere que el diseño debería funcionar incluso para cavidades que contienen millones de agujeros.
La fuente topológica emite luz con momentos angulares orbitales altos y múltiples
En el futuro, Kanté cree que los conceptos desarrollados por su equipo podrían tener implicaciones en la propia electrónica y en la escalabilidad de la mecánica cuántica al mundo macroscópico en general. “Todo el desafío en la ciencia cuántica es escalar”, dice. “La gente está trabajando en qubits superconductores, átomos atrapados, defectos en los cristales… lo único que quieren hacer es escalar. Mi afirmación es que tiene que ver con la naturaleza fundamental de la ecuación de Schrödinger: cuando el sistema es cerrado, no escala; si desea que el sistema se amplíe, el sistema debe tener pérdidas”, dice.
Liangfeng de la Universidad de Pensilvania agrega: “El láser de área amplia monomodo es uno de los santos griales perseguidos activamente por la comunidad de láseres de semiconductores, y la escalabilidad es el mérito más crítico”. “[El trabajo de Kanté] demuestra exactamente lo que la gente está buscando y demuestra una escalabilidad excepcional respaldada por excelentes resultados experimentales. Obviamente, se necesita más trabajo para transformar esta estrategia, demostrada en láseres bombeados ópticamente, en láseres de diodo inyectados eléctricamente viables, pero podemos esperar que este trabajo inspire una nueva generación de láseres de alto rendimiento que pueden beneficiar a múltiples industrias innovadoras. como sistemas de realidad virtual y aumentada, LiDAR, defensa y tantos otros donde los láseres juegan un papel fundamental”.
El equipo ha llamado a su dispositivo el Láser Emisor de Superficie de Berkeley (BerkSEL) y lo describe en un versión preliminar sin editar de su artículo que está disponible actualmente en el Naturaleza sitio web.
