לייזרים שאמורים להיות ניתנים להרחבה להספקים גבוהים באופן שרירותי תוך שמירה על טוהר התדר שלהם הופקו על ידי חוקרים בארה"ב. ההמצאה שלהם, המסתמכת על אנלוגי לפיזיקה של אלקטרונים במוליך למחצה דיראק כמו גרפן, פותרת בעיה שראשיתה עוד מהמצאת הלייזר. החוקרים מאמינים שעבודתם יכולה גם לעורר גילויים תיאורטיים בסיסיים במכניקת הקוונטים בקנה מידה מקרוסקופי.
כל לייזר כולל ביסודו שני מרכיבים חיוניים: חלל ומדיום רווח - בדרך כלל מוליך למחצה, מסביר בובקר קאנטה מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי - המחבר הבכיר של מאמר שיופיע ב טבע מתאר את הלייזרים. "המוליך למחצה פולט טווח רחב של תדרים, והחלל בוחר איזה תדר יוגבר כדי להגיע לסף הלייזר."
הבעיה היא שכל חלל יתמוך לא רק בתדר "בסיסי" של לייזר, אלא גם בכמה מצבים מעוררים בתדר גבוה יותר. שאיבה קשה יותר של החלל כדי להגביר את כוחו של הלייזר נוטה בהכרח לעורר את מצבי התדר הגבוהים הללו לקראת סף הלייזר. לייזרים בעלי הספק גבוה יותר זקוקים לחללים גדולים יותר, אך אלה תומכים בספקטרום צפוף יותר של תדרים.
אף אחד לא ידע מה לעשות בנידון
"אם הרווח רק חופף לבסיס, אז רק הבסיס יפסיד, ואנשים מייצרים ננולייזרים כל הזמן ללא בעיה", אומר קנטה. "אבל אם המצב מסדר גבוה יותר מתקרב, אתה לא יכול להבחין בין השניים ושניהם יפסידו. זו בעיה בת שישה עשורים: כולם יודעים את זה, ואף אחד לא יודע מה לעשות בקשר לזה".
עד עכשיו, כלומר. אם מצב החלל הבסיסי היה מסוגל לספוג את כל האנרגיה ממדיום ההגברה, סברו החוקרים, כל מצבי הסדר הגבוה יותר היו מדוכאים. הבעיה בחלל לייזר קונבנציונלי היא שפונקציית גל מצב הקרקע נמצאת במקסימום במרכז החלל ויורדת לאפס לכיוון הקצוות. "בכל משטח פולט לייזר, או בכל חלל שאנו מכירים עד היום... אין לייזר [בתדר היסודי] מהקצה", מסביר קנטה; "אם אין לייזר מהקצה, יש לך הרבה רווח זמין שם. ובגלל זה מצב מסדר שני חי בקצה, ומהר מאוד הלייזר הופך למולטי-מוד".
כדי לעקוף את הבעיה הזו, קנטה ועמיתיו השתמשו בגבישים פוטוניים. אלה הם מבנים תקופתיים, שכמו מוליכים למחצה אלקטרוניים, יש להם "פערי פס" - תדרים שבהם הם אטומים. כמו גרפן באלקטרוניקה, גבישים פוטוניים מכילים בדרך כלל קונוסים של דיראק במבני הלהקה שלהם. בקודקוד של חרוט כזה נמצאת נקודת דיראק, שבה נסגר פער הלהקה.
קריסטל פוטוני משושה
החוקרים תכננו חלל לייזר המכיל סריג גביש פוטוני משושה שהיה פתוח בקצוות, ומאפשר לפוטונים לדלוף לחלל סביב הגביש, כלומר פונקציית הגל לא הוגבלה להיות אפס בקצהו. לגביש הפוטוני הייתה נקודת דיראק בתנע אפס. מכיוון שהתנע פרופורציונלי לווקטור הגל, לכן וקטור הגל במישור היה אפס. משמעות הדבר היא שהחלל אכן תמך במצב בעל ערך יחיד בכל רחבי הסריג. בתנאי שהחלל נשאב באנרגיה של מצב זה, אף אנרגיה מעולם לא נכנסה לשום מצב אחר, לא משנה כמה גדול החלל. "לפוטון אין מומנטום במישור, אז הדבר היחיד שנותר הוא לברוח אנכית", מסביר קנטה.
החוקרים ייצרו חללים הכוללים 19, 35 ו-51 חורים: "כשאתם לא שואבים בסינגולריות של תדר Dirac, אתם רואים גזירה במספר פסגות", אומר קנטה. "בייחודיות של דיראק, זה אף פעם לא הופך למולטי-מוד. המצב השטוח מסיר רווח עבור מצבי הסדר הגבוה יותר." מודלים תיאורטיים מצביעים על כך שהעיצוב צריך לעבוד אפילו עבור חללים המכילים מיליוני חורים.
מקור טופולוגי פולט אור עם מומנט זוויתי מסלולי גבוה ומרובה
בעתיד, קנטה מאמין שלמושגים שפותח הצוות שלו עשויות להיות השלכות על האלקטרוניקה עצמה, ועל יכולת ההרחבה של מכניקת הקוונטים לעולם המקרוסקופי באופן כללי יותר. "כל האתגר במדעי הקוונטים הוא קנה מידה", הוא אומר. "אנשים עובדים על קיוביטים מוליכים-על, אטומים לכודים, פגמים בגבישים...הדבר היחיד שהם רוצים לעשות הוא קנה מידה. הטענה שלי היא שזה קשור לאופי היסודי של משוואת שרדינגר: כשהמערכת סגורה, היא לא משתנה בקנה מידה; אם אתה רוצה שהמערכת תגדל, המערכת צריכה להיות הפסדית", הוא אומר.
ליאנג פנג מאוניברסיטת פנסילבניה מוסיפה, "הלייזר בעל שטח רחב במצב יחיד הוא אחד הגביעים הקדושים שקהילת הלייזר מוליכים למחצה רודפת אחריו באופן פעיל, ומדרגיות היא הכשרון הקריטי ביותר". "[העבודה של קאנטה] מדגימה בדיוק את מה שאנשים מחפשים, והיא מפגינה מדרגיות יוצאת דופן המגובה בתוצאות ניסוי מצוינות. ברור שצריך לעשות יותר עבודה כדי להפוך את האסטרטגיה הזו, שהודגמה בלייזרים שאובים אופטית, ללייזרי דיודה עם הזרקה חשמלית קיימא, אבל אנחנו יכולים לצפות שעבודה זו תהווה השראה לדור חדש של לייזרים בעלי ביצועים גבוהים שיכולים להועיל למספר תעשיות משנות משחק. כמו מערכות מדומה ומציאות רבודה, LiDARs, הגנה ועוד רבים אחרים שבהם לייזרים ממלאים תפקידים קריטיים."
הצוות כינה את המכשיר שלו Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) ומתאר אותו ב- גרסת תצוגה מקדימה לא ערוכה של העיתון שלהם שזמין כעת ב- טבע אתר אינטרנט.
