Az Egyesült Államokban kutatók gyártottak olyan lézereket, amelyek tetszőlegesen nagy teljesítményre skálázhatók, miközben megőrzik frekvenciatisztaságukat. Találmányuk, amely a Dirac-félvezetőben, például a grafénben lévő elektronok fizikájának analógjára támaszkodik, megold egy, a lézer feltalálásáig visszanyúló problémát. A kutatók úgy vélik, hogy munkájuk alapvető elméleti felfedezéseket is inspirálhat a kvantummechanikában makroszkopikus léptékben.
Minden lézer alapvetően két alapvető összetevőből áll: egy üregből és egy erősítő közegből – általában egy félvezetőből. Boubacar Kanté a Kaliforniai Egyetem Berkeley-ben – egy tanulmány vezető szerzője, amely a következő évben fog megjelenni Természet a lézerek leírása. "A félvezető a frekvencia széles tartományát bocsátja ki, és az üreg kiválasztja, hogy milyen frekvenciát erősítenek fel a lézerküszöb eléréséhez."
A probléma az, hogy bármely üreg nem csak a lézer alapállapotú „alapvető” frekvenciáját támogatja, hanem számos magasabb frekvenciájú gerjesztett állapotot is. Az üreg erősebb pumpálása a lézer teljesítményének növelése érdekében elkerülhetetlenül a lézerküszöb felé gerjeszti ezeket a magasabb frekvenciájú állapotokat. A nagyobb teljesítményű lézereknek nagyobb üregekre van szükségük, de ezek sűrűbb frekvenciaspektrumot támogatnak.
Senki sem tudott mit kezdeni vele
„Ha az erősítés csak átfedésben van az alapvető értékkel, akkor csak az alapvető marad meg, és az emberek mindig gond nélkül gyártanak nanolézereket” – mondja Kanté. „De ha a magasabb rendű mód közeledik, nem lehet különbséget tenni a kettő között, és mindkettő működni fog. Ez egy hat évtizedes probléma: mindenki tudja, és senki sem tudja, mit kezdjen vele.”
Eddig ez van. Ha a fundamentális üreges mód képes lenne elnyelni az összes energiát az erősítő közegből, a kutatók érvelése szerint az összes magasabb rendű mód elnyomna. A probléma a hagyományos lézerüregben az, hogy az alapállapot hullámfüggvénye az üreg közepén van a maximumon, és a szélei felé nullára esik. „Bármelyik felületet kibocsátó lézerben vagy bármely eddig ismert üregben… nincs lézerezés [az alapfrekvencián] a széltől” – magyarázza Kanté; „Ha nincs lézerezés a szélről, akkor ott sok nyereség áll rendelkezésre. Emiatt a másodrendű mód a szélén él, és hamarosan a lézer multimódusúvá válik.
A probléma megkerülésére Kanté és munkatársai fotonikus kristályokat használtak. Ezek periodikus struktúrák, amelyek az elektronikus félvezetőkhöz hasonlóan „sávrésekkel” rendelkeznek – olyan frekvenciákkal, amelyeken átlátszatlanok. Az elektronikában a grafénhez hasonlóan a fotonikus kristályok is általában Dirac-kúpokat tartalmaznak sávszerkezetükben. Egy ilyen kúp csúcsán van a Dirac-pont, ahol a sávköz bezárul.
Hatszögletű fotonikus kristály
A kutatók egy hatszögletű fotonikus kristályrácsot tartalmazó lézerüreget terveztek, amely a széleken nyitott, lehetővé téve a fotonok beszivárgását a kristály körüli térbe, ami azt jelenti, hogy a hullámfüggvény nem korlátozódott nullára a szélén. A fotonikus kristály nulla impulzusú Dirac-ponttal rendelkezett. Mivel a lendület arányos a hullámvektorral, ezért a síkbeli hullámvektor nulla volt. Ez azt jelenti, hogy az üreg valóban támogatta azt a módot, amely az egész rácson egyetlen értékű volt. Feltéve, hogy az üreget ennek az üzemmódnak az energiájával szivattyúzzák, soha semmilyen energia nem ment át semmilyen más üzemmódba, bármilyen nagy is az üreg. „A fotonnak nincs síkbeli impulzusa, így csak az marad, hogy függőlegesen meneküljön” – magyarázza Kanté.
A kutatók 19, 35 és 51 lyukat tartalmazó üregeket készítettek: „Ha nem a Dirac-frekvenciás szingularitáson pumpálunk, több csúcson is lézerezést látunk” – mondja Kanté. „A Dirac szingularitás szerint soha nem válik többmódusúvá. A lapos mód eltávolítja az erősítést a magasabb rendű módoknál.” Az elméleti modellezés azt sugallja, hogy a tervezésnek még több millió lyukat tartalmazó üregeknél is működnie kell.
A topológiai forrás nagy és többszörös keringési szögmomentumú fényt bocsát ki
A jövőben Kanté úgy véli, hogy a csapata által kidolgozott koncepciók hatással lehetnek magára az elektronikára, és általában véve a kvantummechanika méretezhetőségére a makroszkopikus világra. „A kvantumtudományban az összes kihívás a méretezés” – mondja. „Az emberek szupravezető kvbiteken, csapdába esett atomokon, kristályhibákon dolgoznak… az egyetlen dolog, amit tenni akarnak, az a méretarány. Az az állításom, hogy ez a Schrödinger-egyenlet alapvető természetéhez kapcsolódik: amikor a rendszer zárt, nem skálázódik; Ha azt szeretné, hogy a rendszer méretezhető legyen, a rendszernek veszteséget kell okoznia” – mondja.
Liang Feng A Pennsylvaniai Egyetem munkatársa hozzáteszi: „Az egymódusú, széles hatótávolságú lézer a félvezetőlézer-közösség által aktívan követett szent grálok egyike, és a méretezhetőség a legkritikusabb érdem”. „[Kanté munkája] éppen azt mutatja be, amit az emberek keresnek, és kivételes skálázhatóságot bizonyít, amelyet kiváló kísérleti eredmények támogatnak. Nyilvánvalóan több munkát kell végezni annak érdekében, hogy ezt az optikailag pumpás lézerekben bemutatott stratégiát életképes elektromosan befecskendezett dióda lézerekké alakítsák át, de arra számíthatunk, hogy ez a munka a nagy teljesítményű lézerek új generációját fogja inspirálni, amely számos, változó iparág számára előnyös lehet. mint a virtuális és kiterjesztett valóság rendszerek, a LiDAR-ok, a védelem és még sok más, ahol a lézerek kritikus szerepet játszanak.”
A csapat Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) névre keresztelte eszközét, és egy cikkük szerkesztetlen előzetes verziója amely jelenleg elérhető a Természet weboldal.
