Laser yang harus dapat diskalakan ke kekuatan tinggi yang sewenang-wenang sambil mempertahankan kemurnian frekuensinya telah diproduksi oleh para peneliti di AS. Penemuan mereka, yang bergantung pada analogi fisika elektron dalam semikonduktor Dirac seperti graphene, memecahkan masalah yang berasal dari penemuan laser. Para peneliti percaya bahwa pekerjaan mereka juga dapat menginspirasi penemuan teoretis mendasar dalam mekanika kuantum pada skala makroskopik.
Setiap laser pada dasarnya terdiri dari dua komponen penting: rongga dan media penguatan - biasanya semikonduktor, menjelaskan Boubacar Kante dari University of California, Berkeley – penulis senior makalah yang akan muncul di Alam menggambarkan laser. "Semikonduktor memancarkan berbagai frekuensi, dan rongga memilih frekuensi apa yang akan diperkuat untuk mencapai ambang penguat."
Masalahnya adalah bahwa rongga apa pun akan mendukung tidak hanya frekuensi "dasar" keadaan dasar laser, tetapi juga beberapa keadaan tereksitasi frekuensi tinggi. Memompa rongga lebih keras untuk meningkatkan kekuatan laser pasti cenderung merangsang keadaan frekuensi yang lebih tinggi ini menuju ambang penguat. Laser berdaya tinggi membutuhkan rongga yang lebih besar, tetapi ini mendukung spektrum frekuensi yang lebih padat.
Tidak ada yang tahu apa yang harus dilakukan tentang itu
“Jika perolehan hanya tumpang tindih dengan fundamental, maka hanya fundamental yang akan berkurang, dan orang-orang membuat nanolaser sepanjang waktu tanpa masalah,” kata Kanté. “Tetapi jika mode tingkat tinggi mendekati, Anda tidak dapat membedakan keduanya dan keduanya akan kalah. Ini adalah masalah enam dekade: semua orang tahu itu, dan tidak ada yang tahu apa yang harus dilakukan tentang hal itu.”
Sampai sekarang begitu. Jika mode rongga dasar mampu menyerap semua energi dari media gain, para peneliti beralasan, semua mode orde tinggi akan ditekan. Masalah dalam rongga laser konvensional adalah bahwa fungsi gelombang keadaan dasar berada pada titik maksimum di tengah rongga dan turun ke nol ke arah tepi. “Dalam laser pemancar permukaan apa pun, atau rongga apa pun yang kita ketahui hingga saat ini… tidak ada penguat [pada frekuensi dasar] dari tepi,” Kanté menjelaskan; “Jika tidak ada penguatan dari tepi, Anda memiliki banyak keuntungan yang tersedia di sana. Dan karena itu mode orde kedua hidup di tepi, dan segera laser menjadi multimode.”
Untuk mengatasi masalah ini, Kanté dan rekannya menggunakan kristal fotonik. Ini adalah struktur periodik, yang, seperti semikonduktor elektronik, memiliki "celah pita" - frekuensi di mana mereka buram. Seperti graphene dalam elektronik, kristal fotonik umumnya mengandung kerucut Dirac dalam struktur pitanya. Di puncak kerucut seperti itu adalah titik Dirac, di mana celah pita ditutup.
Kristal fotonik heksagonal
Para peneliti merancang rongga laser yang berisi kisi kristal fotonik heksagonal yang terbuka di tepinya, memungkinkan foton bocor ke ruang di sekitar kristal, yang berarti bahwa fungsi gelombang tidak terbatas pada nol di tepinya. Kristal fotonik memiliki titik Dirac pada momentum nol. Karena momentum sebanding dengan vektor gelombang, maka vektor gelombang dalam bidang adalah nol. Ini berarti bahwa rongga memang mendukung mode yang bernilai tunggal di seluruh kisi. Asalkan rongga dipompa pada energi mode ini, tidak ada energi yang masuk ke mode lain, tidak peduli seberapa besar rongganya. “Foton tidak memiliki momentum dalam bidang, jadi satu-satunya yang tersisa adalah melepaskannya secara vertikal,” jelas Kanté.
Para peneliti membuat rongga yang terdiri dari 19, 35 dan 51 lubang: “Bila Anda tidak memompa pada singularitas frekuensi Dirac, Anda akan melihat penguatan di beberapa puncak,” kata Kanté. “Pada singularitas Dirac, itu tidak pernah menjadi multimode. Mode datar menghilangkan keuntungan untuk mode urutan yang lebih tinggi.” Pemodelan teoritis menunjukkan bahwa desain harus bekerja bahkan untuk rongga yang berisi jutaan lubang.
Sumber topologi memancarkan cahaya dengan momentum sudut orbital yang tinggi dan ganda
Di masa depan, Kanté percaya bahwa konsep yang dikembangkan oleh timnya dapat memiliki implikasi dalam elektronik itu sendiri, dan skalabilitas mekanika kuantum ke dunia makroskopik secara lebih umum. “Semua tantangan dalam ilmu kuantum adalah penskalaan,” katanya. “Orang-orang sedang mengerjakan qubit superkonduktor, atom yang terperangkap, cacat pada kristal … satu-satunya hal yang ingin mereka lakukan adalah skala. Klaim saya adalah bahwa ini berkaitan dengan sifat dasar persamaan Schrödinger: ketika sistem tertutup, sistem tidak menskala; jika Anda ingin sistem berskala, sistem harus mengalami kerugian, ”katanya.
Liang Feng dari University of Pennsylvania menambahkan, "Laser area luas mode tunggal adalah salah satu cawan suci yang secara aktif dikejar oleh komunitas laser semikonduktor, dan skalabilitas adalah kelebihan yang paling penting". “[Kanté's work] menunjukkan apa yang orang cari, dan ini menunjukkan skalabilitas luar biasa yang didukung oleh hasil eksperimen yang sangat baik. Jelas lebih banyak pekerjaan perlu dilakukan untuk mengubah strategi ini, yang ditunjukkan dalam laser yang dipompa secara optik, menjadi laser dioda yang disuntikkan secara elektrik, tetapi kami dapat berharap bahwa pekerjaan ini akan menginspirasi generasi baru laser berkinerja tinggi yang dapat bermanfaat bagi banyak industri yang mengubah permainan. seperti sistem realitas virtual dan augmented, LiDAR, pertahanan, dan banyak lagi lainnya di mana laser memainkan peran penting.”
Tim telah menjuluki perangkatnya Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) dan menggambarkannya dalam sebuah versi pratinjau makalah mereka yang belum diedit yang saat ini tersedia di Alam website.
