I laser che dovrebbero essere scalabili a potenze arbitrariamente elevate pur mantenendo la loro purezza di frequenza sono stati prodotti da ricercatori negli Stati Uniti. La loro invenzione, che si basa su un analogo della fisica degli elettroni in un semiconduttore Dirac come il grafene, risolve un problema che risale all'invenzione del laser. I ricercatori ritengono che il loro lavoro potrebbe anche ispirare scoperte teoriche fondamentali nella meccanica quantistica su scala macroscopica.
Qualsiasi laser comprende fondamentalmente due componenti essenziali: una cavità e un mezzo di guadagno, di solito un semiconduttore, spiega Boubacar Kanté dell'Università della California, Berkeley - l'autore senior di un articolo che apparirà in Natura descrivere i laser. "Il semiconduttore emette un'ampia gamma di frequenze e la cavità seleziona quale frequenza verrà amplificata per raggiungere la soglia laser".
Il problema è che qualsiasi cavità sosterrà non solo una frequenza "fondamentale" dello stato fondamentale di un laser, ma anche diversi stati eccitati a frequenza più alta. Pompare più forte la cavità per aumentare la potenza del laser tende inevitabilmente ad eccitare questi stati di frequenza più alta verso la soglia del laser. I laser di potenza superiore necessitano di cavità più grandi, ma supportano uno spettro di frequenze più denso.
Nessuno sapeva cosa fare al riguardo
"Se il guadagno si sovrappone solo al fondamentale, allora solo il fondamentale aumenterà e le persone realizzano sempre nanolaser senza problemi", afferma Kanté. “Ma se la modalità di ordine superiore si avvicina, non puoi distinguere tra i due ed entrambi cadranno. Questo è un problema vecchio di sei decenni: lo sanno tutti e nessuno sa cosa fare al riguardo”.
Fino ad ora, questo è. Se la modalità cavità fondamentale fosse in grado di assorbire tutta l'energia dal mezzo di guadagno, hanno ragionato i ricercatori, tutte le modalità di ordine superiore sarebbero soppresse. Il problema in una cavità laser convenzionale è che la funzione d'onda dello stato fondamentale è al suo massimo al centro della cavità e scende a zero verso i bordi. "In qualsiasi laser a emissione di superficie, o in qualsiasi cavità che conosciamo fino ad oggi... non c'è laser [alla frequenza fondamentale] dal bordo", spiega Kanté; “Se non c'è laser dal limite, hai molto guadagno disponibile lì. E per questo motivo la modalità del secondo ordine vive ai margini e molto presto il laser diventa multimodale".
Per aggirare questo problema, Kanté e colleghi hanno utilizzato cristalli fotonici. Si tratta di strutture periodiche che, come i semiconduttori elettronici, hanno "band gap" - frequenze alle quali sono opache. Come il grafene nell'elettronica, i cristalli fotonici generalmente contengono coni di Dirac nelle loro strutture a bande. Al vertice di un tale cono c'è il punto di Dirac, dove il gap di banda si chiude.
Cristallo fotonico esagonale
I ricercatori hanno progettato una cavità laser contenente un reticolo cristallino fotonico esagonale che era aperto ai bordi, consentendo ai fotoni di fuoriuscire nello spazio attorno al cristallo, il che significa che la funzione d'onda non era confinata a zero sul bordo. Il cristallo fotonico aveva un punto di Dirac a momento zero. Poiché la quantità di moto è proporzionale al vettore d'onda, il vettore d'onda nel piano era quindi zero. Ciò significa che la cavità supportava effettivamente una modalità che era valutata singolarmente su tutto il reticolo. A condizione che la cavità fosse pompata all'energia di questa modalità, nessuna energia è mai passata in nessun'altra modalità, non importa quanto grande fosse la cavità. "Il fotone non ha slancio nel piano, quindi l'unica cosa rimasta è che scappi verticalmente", spiega Kanté.
I ricercatori hanno fabbricato cavità comprendenti 19, 35 e 51 fori: "Quando non si pompa alla singolarità della frequenza di Dirac, si vede il laser a più picchi", afferma Kanté. “Alla singolarità di Dirac, non diventa mai multimodale. La modalità flat rimuove il guadagno per le modalità di ordine superiore. La modellazione teorica suggerisce che il progetto dovrebbe funzionare anche per cavità contenenti milioni di fori.
La sorgente topologica emette luce con momenti angolari orbitali elevati e multipli
In futuro, Kanté ritiene che i concetti sviluppati dal suo team potrebbero avere implicazioni nell'elettronica stessa e più in generale sulla scalabilità della meccanica quantistica al mondo macroscopico. "Tutta la sfida nella scienza quantistica è il ridimensionamento", afferma. "Le persone stanno lavorando su qubit superconduttori, atomi intrappolati, difetti nei cristalli... l'unica cosa che vogliono fare è ridimensionare. La mia affermazione è che ha a che fare con la natura fondamentale dell'equazione di Schrödinger: quando il sistema è chiuso, non si ridimensiona; se vuoi che il sistema si ridimensioni, il sistema deve subire delle perdite", afferma.
Liang Feng dell'Università della Pennsylvania aggiunge: "Il laser ad area larga monomodale è uno dei santi graal perseguiti attivamente dalla comunità dei laser a semiconduttore e la scalabilità è il merito più critico". “[Il lavoro di Kanté] dimostra esattamente ciò che le persone cercano e dimostra un'eccezionale scalabilità supportata da eccellenti risultati sperimentali. Ovviamente è necessario fare più lavoro per trasformare questa strategia, dimostrata nei laser pompati otticamente, in laser a diodi iniettati elettricamente praticabili, ma possiamo aspettarci che questo lavoro ispirerà una nuova generazione di laser ad alte prestazioni che possono avvantaggiare più industrie rivoluzionarie come sistemi di realtà virtuale e aumentata, LiDAR, difesa e tanti altri in cui i laser svolgono ruoli critici".
Il team ha soprannominato il suo dispositivo Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) e lo descrive in un versione in anteprima inedita del loro documento che è attualmente disponibile su Natura di LPI.
