لیزرهایی که می‌بایست تا توان‌های خودسرانه بالا مقیاس‌پذیر باشند و در عین حال خلوص فرکانس خود را حفظ کنند، توسط محققان در ایالات متحده تولید شده‌اند. اختراع آنها که بر مشابهی با فیزیک الکترون‌ها در نیمه‌رسانای دیراک مانند گرافن تکیه دارد، مشکلی را حل می‌کند که به زمان اختراع لیزر بازمی‌گردد. محققان بر این باورند که کار آنها می تواند الهام بخش اکتشافات نظری اساسی در مکانیک کوانتومی در مقیاس های ماکروسکوپی باشد.
هر لیزری اساساً از دو جزء ضروری تشکیل شده است: یک حفره و یک محیط افزایش - معمولاً یک نیمه هادی. بوباکار کانته از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی - نویسنده ارشد مقاله ای که در آن ظاهر خواهد شد طبیعت توصیف لیزر نیمه هادی طیف وسیعی از فرکانس ها را ساطع می کند و حفره انتخاب می کند که چه فرکانسی برای رسیدن به آستانه لیزر تقویت شود.
مشکل این است که هر حفره ای نه تنها از یک فرکانس "بنیادی" حالت پایه لیزر، بلکه چندین حالت برانگیخته با فرکانس بالاتر پشتیبانی می کند. پمپاژ سخت‌تر حفره برای افزایش قدرت لیزر، به ناچار این حالت‌های فرکانس بالاتر را به سمت آستانه لیزر تحریک می‌کند. لیزرهای پرقدرت به حفره‌های بزرگ‌تری نیاز دارند، اما این لیزرها طیف متراکم‌تری از فرکانس‌ها را پشتیبانی می‌کنند.
هیچ کس نمی دانست در مورد آن چه باید بکند
کانته می‌گوید: «اگر سود فقط با فاندامنتال همپوشانی داشته باشد، فقط فاندامنتال از بین می‌رود و مردم همیشه بدون مشکل نانولیزر می‌سازند. اما اگر حالت مرتبه بالاتر نزدیک شود، شما نمی توانید بین این دو تمایز قائل شوید و هر دو از بین می روند. این یک مشکل شش دهه ای است: همه آن را می دانند و هیچ کس نمی داند که در مورد آن چه کاری انجام دهد.
تا الان یعنی. محققان استدلال کردند که اگر حالت حفره بنیادی قادر به جذب تمام انرژی از محیط بهره باشد، تمام حالت‌های مرتبه بالاتر سرکوب می‌شوند. مشکل در یک حفره لیزری معمولی این است که تابع موج حالت پایه در مرکز حفره حداکثر است و به سمت لبه ها به صفر می رسد. کانته توضیح می‌دهد: «در هر سطحی که لیزر ساطع می‌کند، یا هر حفره‌ای که تا به امروز می‌دانیم... هیچ لیزری [در فرکانس اصلی] از لبه وجود ندارد». «اگر از لبه‌ها خبری نباشد، سود زیادی در آنجا خواهید داشت. و به همین دلیل حالت مرتبه دوم در لبه زندگی می کند و خیلی زود لیزر چند حالته می شود.
برای حل این مشکل، کانته و همکارانش از بلورهای فوتونی استفاده کردند. اینها ساختارهای تناوبی هستند که مانند نیمه هادی های الکترونیکی دارای "شکاف باند" هستند - فرکانس هایی که در آنها مات هستند. مانند گرافن در الکترونیک، بلورهای فوتونیک معمولاً حاوی مخروط دیراک در ساختار نواری خود هستند. در راس چنین مخروطی نقطه دیراک قرار دارد، جایی که شکاف نواری بسته می شود.
کریستال فوتونیک شش ضلعی
محققان یک حفره لیزری حاوی یک شبکه کریستال فوتونیک شش ضلعی طراحی کردند که در لبه‌ها باز بود و به فوتون‌ها اجازه می‌داد به فضای اطراف کریستال نشت کنند، به این معنی که تابع موج در لبه آن صفر نبود. کریستال فوتونیک نقطه دیراک در تکانه صفر داشت. از آنجایی که تکانه متناسب با بردار موج است، بنابراین بردار موج درون صفحه صفر بود. این بدان معنی است که حفره در واقع از حالتی پشتیبانی می کند که در سراسر شبکه ارزش واحدی دارد. به شرط اینکه حفره با انرژی این حالت پمپ شود، هیچ انرژی به هیچ حالت دیگری نمی رود، مهم نیست حفره چقدر بزرگ باشد. کانته توضیح می دهد: "فوتن هیچ حرکت درون صفحه ای ندارد، بنابراین تنها چیزی که باقی می ماند این است که به صورت عمودی فرار کند."
محققان حفره‌هایی متشکل از 19، 35 و 51 سوراخ ساختند: کانته می‌گوید: «وقتی در تکینگی فرکانس دیراک پمپاژ نمی‌کنید، می‌بینید که لیزر در چندین قله وجود دارد. "در تکینگی دیراک، هرگز چند حالته نمی شود. حالت مسطح بهره را برای حالت های مرتبه بالاتر حذف می کند. مدل‌سازی نظری نشان می‌دهد که این طرح باید حتی برای حفره‌های حاوی میلیون‌ها سوراخ نیز کار کند.
منبع توپولوژیکی نور با گشتاور زاویه ای مداری زیاد و چندگانه ساطع می کند
در آینده، کانته معتقد است که مفاهیم توسعه یافته توسط تیم او می‌تواند پیامدهایی در خود الکترونیک و مقیاس‌پذیری مکانیک کوانتومی در جهان ماکروسکوپی به طور کلی داشته باشد. او می‌گوید: «تمام چالش در علم کوانتومی مقیاس‌پذیری است. مردم در حال کار روی کیوبیت های ابررسانا، اتم های به دام افتاده، نقص در کریستال ها هستند... تنها کاری که می خواهند انجام دهند مقیاس است. ادعای من این است که این به ماهیت اساسی معادله شرودینگر مربوط می شود: وقتی سیستم بسته است، مقیاس نمی شود. اگر می‌خواهید سیستم مقیاس‌پذیر شود، سیستم باید ضرر داشته باشد.»
لیانگ فنگ از دانشگاه پنسیلوانیا می‌افزاید: «لیزر تک حالته گسترده یکی از اهداف مقدسی است که به طور فعال توسط جامعه لیزر نیمه‌رسانا دنبال می‌شود، و مقیاس‌پذیری مهم‌ترین امتیاز است». [کار کانته] دقیقاً همان چیزی را نشان می‌دهد که مردم به دنبال آن هستند، و مقیاس‌پذیری استثنایی را نشان می‌دهد که توسط نتایج تجربی عالی پشتیبانی می‌شود. بدیهی است که برای تبدیل این استراتژی، که در لیزرهای پمپ شده نوری نشان داده شده است، باید کارهای بیشتری انجام شود تا به لیزرهای دایود تزریق الکتریکی قابل دوام تبدیل شود، اما می‌توان انتظار داشت که این کار الهام‌بخش نسل جدیدی از لیزرهای با کارایی بالا باشد که می‌تواند برای صنایع مختلف بازی‌ساز مفید باشد. مانند سیستم های واقعیت مجازی و واقعیت افزوده، LiDAR ها، دفاع و بسیاری موارد دیگر که در آن لیزرها نقش مهمی را ایفا می کنند.
این تیم دستگاه خود را لیزر ساطع کننده سطح برکلی (BerkSEL) نامگذاری کرده و آن را در یک نسخه پیش نمایش ویرایش نشده مقاله آنها که در حال حاضر در دسترس است طبیعت وب سایت.
