USA teadlased on tootnud lasereid, mis peaksid olema skaleeritavad meelevaldselt suure võimsusega, säilitades samal ajal oma sageduse puhtuse. Nende leiutis, mis tugineb Diraci pooljuhtide, näiteks grafeeni elektronide füüsika analoogile, lahendab probleemi, mis pärineb laseri leiutamisest. Teadlased usuvad, et nende töö võib inspireerida ka fundamentaalseid teoreetilisi avastusi kvantmehaanika alal makroskoopilisel skaalal.
Iga laser koosneb põhimõtteliselt kahest olulisest komponendist: õõnsusest ja võimenduskandjast – tavaliselt pooljuhist, selgitab Boubacar Kanté California ülikoolist Berkeleys – aastal ilmuva artikli vanemautor loodus laserite kirjeldamine. "Pooljuht kiirgab laias valikus sagedusi ja õõnsus valib, millist sagedust võimendatakse, et jõuda laseriläveni."
Probleem on selles, et iga õõnsus ei toeta mitte ainult laseri põhioleku "põhisagedust", vaid ka mitut kõrgema sagedusega ergastatud olekut. Kaviteedi tugevam pumpamine laseri võimsuse suurendamiseks kipub paratamatult ergastama neid kõrgema sagedusega olekuid laseriläve suunas. Suurema võimsusega laserid vajavad suuremaid õõnsusi, kuid need toetavad tihedamat sagedusspektrit.
Keegi ei teadnud, mida sellega peale hakata
"Kui võimendus kattub ainult põhiväärtusega, siis kattub ainult põhiline ja inimesed teevad nanolasereid kogu aeg probleemideta," ütleb Kanté. "Kuid kui kõrgema järgu režiim läheneb, ei saa te nende kahe vahel vahet teha ja mõlemad hakkavad tööle. See on kuus aastakümmet vana probleem: kõik teavad seda ja keegi ei tea, mida sellega teha.
Siiani see on. Kui põhiline õõnsusrežiim suudaks kogu võimenduskeskkonnast saadava energia neelata, arvasid teadlased, et kõik kõrgema järgu režiimid surutakse alla. Tavalise laserõõnsuse probleem seisneb selles, et põhiseisundi lainefunktsioon on maksimaalselt õõnsuse keskel ja langeb äärte suunas nullini. "Üheski pinda kiirgavas laseris või mis tahes õõnsuses, mida me seni tunneme, ei toimu servast laserit [põhisagedusel]," selgitab Kanté; "Kui servast laserit pole, on teil seal palju kasu. Ja seetõttu elab teist järku režiim äärel ja üsna pea muutub laser mitmerežiimiliseks.
Selle probleemi lahendamiseks kasutasid Kanté ja kolleegid fotoonkristalle. Need on perioodilised struktuurid, millel, nagu ka elektroonilistel pooljuhtidel, on ribalaiused – sagedused, mille juures nad on läbipaistmatud. Nagu grafeen elektroonikas, sisaldavad fotoonkristallid oma ribastruktuurides üldiselt Diraci koonuseid. Sellise koonuse tipus on Diraci punkt, kus ribade vahe sulgub.
Kuusnurkne fotooniline kristall
Teadlased kavandasid laserõõnsuse, mis sisaldas kuusnurkset fotoonkristallvõre, mis oli servadest avatud, võimaldades footonitel lekkida kristalli ümbritsevasse ruumi, mis tähendab, et lainefunktsioon ei piirdunud selle servas nulliga. Fotoonkristallil oli nullimpulssiga Diraci punkt. Kuna impulss on võrdeline lainevektoriga, oli tasapinnaline lainevektor seega null. See tähendab, et õõnsus toetas tõepoolest režiimi, mis oli üle kogu võre ühe väärtusega. Eeldusel, et õõnsust pumbati selle režiimi energiaga, ei läinud energia kunagi muusse režiimi, olenemata sellest, kui suur see õõnsus on. "Footonil puudub tasapinnaline impulss, nii et ainus asi, mis jääb, on see vertikaalselt põgeneda, " selgitab Kanté.
Teadlased valmistasid 19, 35 ja 51 august koosnevad õõnsused: "Kui te ei pumpa Diraci sageduse singulaarsusega, näete laserit mitmel tipul," ütleb Kanté. „Diraci singulaarsuse puhul ei muutu see kunagi mitmerežiimiliseks. Lamerežiim eemaldab kõrgema järgu režiimide võimenduse. Teoreetiline modelleerimine viitab sellele, et disain peaks töötama isegi miljoneid auke sisaldavate õõnsuste puhul.
Topoloogiline allikas kiirgab suure ja mitme orbiidi nurkmomendiga valgust
Tulevikus usub Kanté, et tema meeskonna väljatöötatud kontseptsioonid võivad mõjutada elektroonikat ennast ja kvantmehaanika mastaapsust makroskoopilises maailmas üldisemalt. "Kõik kvantteaduse väljakutsed on skaleerimine, " ütleb ta. „Inimesed töötavad ülijuhtivate kubitite, lõksus olevate aatomite, kristallide defektide kallal... ainus asi, mida nad teha tahavad, on mastaap. Minu väide on, et see on seotud Schrödingeri võrrandi fundamentaalse olemusega: kui süsteem on suletud, siis see ei skaleeru; kui soovite, et süsteem laieneks, peab süsteemil olema kahju," ütleb ta.
Liang Feng Pennsylvania ülikoolist lisab: "Ühemoodiline laialaerlaser on üks püha graalidest, mida pooljuhtlaserite kogukond aktiivselt taotleb, ja skaleeritavus on kõige olulisem eelis." „[Kanté töö] näitab just seda, mida inimesed otsivad, ja see näitab erakordset mastaapsust, mida toetavad suurepärased katsetulemused. Ilmselt tuleb teha rohkem tööd, et muuta see optiliselt pumbatavates laserites demonstreeritud strateegia elujõulisteks elektriliselt süstitavateks dioodlaseriteks, kuid võime eeldada, et see töö inspireerib uue põlvkonna suure jõudlusega lasereid, millest võib kasu olla mitmes muutuvas tööstuses. nagu virtuaalsed ja liitreaalsussüsteemid, LiDAR-id, kaitse ja paljud teised, kus laserid mängivad olulist rolli.
Meeskond on nimetanud oma seadme Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) ja kirjeldab seda nende paberi redigeerimata eelvaateversioon mis on hetkel saadaval saidil loodus kodulehel.
