USA:n tutkijat ovat tuottaneet lasereita, joiden pitäisi olla skaalattavissa mielivaltaisen suuriin tehoihin säilyttäen samalla taajuuspuhtaus. Heidän keksintönsä, joka perustuu analogiseen elektronien fysiikkaan Dirac-puolijohteessa, kuten grafeenissa, ratkaisee ongelman, joka juontaa juurensa laserin keksinnöstä. Tutkijat uskovat, että heidän työnsä voisi myös inspiroida perustavanlaatuisia teoreettisia löytöjä kvanttimekaniikasta makroskooppisessa mittakaavassa.
Jokainen laser sisältää pohjimmiltaan kaksi olennaista komponenttia: onkalon ja vahvistusväliaineen - yleensä puolijohteen, selittää Boubacar Kanté Kalifornian yliopistosta, Berkeleystä – vanhempi kirjoittaja artikkelissa, joka ilmestyy vuonna luonto kuvaamalla lasereita. "Puolijohde lähettää laajan valikoiman taajuuksia, ja onkalo valitsee, mitä taajuutta vahvistetaan, jotta saavutetaan laserointikynnys."
Ongelmana on, että mikä tahansa onkalo ei tue vain laserin perustilan "perustaajuutta", vaan myös useita korkeamman taajuuden viritystiloja. Onkalon pumppaus kovemmin laserin tehon lisäämiseksi pyrkii väistämättä virittämään näitä korkeamman taajuuden tiloja kohti laserin kynnystä. Tehokkaammat laserit tarvitsevat suurempia onteloita, mutta ne tukevat tiheämpää taajuusspektriä.
Kukaan ei tiennyt mitä tehdä asialle
"Jos vahvistus on vain päällekkäinen perusarvon kanssa, vain perusarvo jää voimaan, ja ihmiset tekevät nanolasereita koko ajan ilman ongelmia", Kanté sanoo. "Mutta jos korkeamman asteen tila tulee lähelle, et voi erottaa näitä kahta toisistaan ja ne molemmat toimivat. Tämä on kuusi vuosikymmentä vanha ongelma: kaikki tietävät sen, eikä kukaan tiedä, mitä sille pitäisi tehdä."
Tähän asti siis. Jos perusontelomoodi kykenisi absorboimaan kaiken energian vahvistusväliaineesta, tutkijat päättelivät, kaikki korkeamman asteen tilat tukahduttaisivat. Perinteisen laserontelon ongelmana on, että perustilan aaltofunktio on maksimissaan ontelon keskellä ja putoaa nollaan kohti reunoja. "Missä tahansa pintaa säteilevässä laserissa tai missä tahansa tähän mennessä tuntemassamme ontelossa… ei ole laseria [perustaajuudella] reunasta", Kanté selittää; ”Jos reunasta ei tule laserointia, sinulla on paljon hyötyä siellä. Ja sen vuoksi toisen asteen tila elää reunalla, ja hyvin pian laserista tulee monimuotoinen.
Tämän ongelman kiertämiseksi Kanté ja kollegat käyttivät fotonikiteitä. Nämä ovat jaksollisia rakenteita, joissa, kuten elektronisissa puolijohteissa, on "kaistavälit" - taajuudet, joilla ne ovat läpinäkymättömiä. Kuten grafeeni elektroniikassa, fotonikiteet sisältävät yleensä Dirac-kartioita nauharakenteissaan. Tällaisen kartion kärjessä on Dirac-piste, jossa nauharako sulkeutuu.
Kuusikulmainen fotonikristalli
Tutkijat suunnittelivat laserontelon, joka sisälsi kuusikulmaisen fotonikidehilan, joka oli avoin reunoista, jolloin fotonit pääsivät vuotamaan kiteen ympärillä olevaan tilaan, mikä tarkoittaa, että aaltofunktio ei rajoittunut nollaan sen reunaan. Fotonikiteellä oli Dirac-piste nollavauhdissa. Koska liikemäärä on verrannollinen aaltovektoriin, tason sisäinen aaltovektori oli siis nolla. Tämä tarkoittaa, että onkalo todellakin tuki tilaa, joka oli yksiarvoinen koko hilassa. Edellyttäen, että onkaloa pumpattiin tämän tilan energialla, energiaa ei koskaan mennyt mihinkään muuhun tilaan, oli onkalo kuinka suuri tahansa. "Fotonilla ei ole tasossa olevaa liikemäärää, joten ainoa asia jäljellä on, että se pakenee pystysuunnassa", Kanté selittää.
Tutkijat valmistivat onteloita, joissa oli 19, 35 ja 51 reikää: "Kun et pumppaa Diracin taajuuden singulaaruudella, näet laserin useissa huipuissa", Kanté sanoo. "Dirac-singulariteetissa siitä ei koskaan tule monimuotoista. Tasainen tila poistaa vahvistuksen korkeamman asteen tiloista." Teoreettinen mallinnus viittaa siihen, että suunnittelun tulisi toimia jopa miljoonia reikiä sisältävissä onteloissa.
Topologinen lähde lähettää valoa suurella ja moninkertaisella kiertoradalla
Jatkossa Kanté uskoo, että hänen tiiminsä kehittämillä konsepteilla voi olla vaikutuksia elektroniikkaan itseensä ja kvanttimekaniikan skaalautumiseen makroskooppiseen maailmaan yleisemminkin. "Kaikki kvanttitieteen haaste on skaalaus", hän sanoo. ”Ihmiset työskentelevät suprajohtavien kubittien, loukkuun jääneiden atomien, kiteiden vikojen parissa… ainoa asia, mitä he haluavat tehdä, on mittakaava. Väitteeni on, että se liittyy Schrödingerin yhtälön perusluonteeseen: kun järjestelmä on suljettu, se ei skaalaudu; jos haluat järjestelmän skaalautuvan, järjestelmässä on oltava tappiota”, hän sanoo.
Liang Feng Pennsylvanian yliopistosta lisää: "Yksimuotoinen laaja-alainen laser on yksi puolijohdelaseryhteisön aktiivisesti tavoittelemista pyhien graaleista, ja skaalautuvuus on kriittisin ansio". ”[Kantén työ] osoittaa juuri sen, mitä ihmiset etsivät, ja se osoittaa poikkeuksellista skaalautuvuutta erinomaisten kokeellisten tulosten tukemana. Ilmeisesti on tehtävä enemmän työtä tämän optisesti pumpatuissa lasereissa esitellyn strategian muuntamiseksi elinkelpoisiksi sähköisesti ruiskutetuiksi diodilasereiksi, mutta voimme odottaa, että tämä työ inspiroi uuden sukupolven korkean suorituskyvyn lasereita, joista voi olla hyötyä useille muuttaville teollisuudenaloille. kuten virtuaali- ja lisätyn todellisuuden järjestelmät, LiDAR-järjestelmät, puolustus ja monet muut, joissa lasereilla on ratkaiseva rooli."
Tiimi on nimennyt laitteensa Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) -laitteeksi ja kuvailee sitä editoimaton esikatseluversio heidän paperistaan joka on tällä hetkellä saatavilla osoitteessa luonto -sivustolta.
