Lasers die schaalbaar zouden moeten zijn tot willekeurig hoge vermogens met behoud van hun frequentiezuiverheid, zijn geproduceerd door onderzoekers in de VS. Hun uitvinding, die gebaseerd is op een analoog van de fysica van elektronen in een Dirac-halfgeleider zoals grafeen, lost een probleem op dat teruggaat tot de uitvinding van de laser. De onderzoekers geloven dat hun werk ook kan inspireren tot fundamentele theoretische ontdekkingen in de kwantummechanica op macroscopische schaal.
Elke laser bestaat in wezen uit twee essentiële componenten: een holte en een versterkingsmedium - meestal een halfgeleider, legt uit Boubacar Kanté van de Universiteit van Californië, Berkeley – de hoofdauteur van een artikel dat zal verschijnen in NATUUR beschrijving van de lasers. "De halfgeleider zendt een breed scala aan frequenties uit en de holte selecteert welke frequentie wordt versterkt om de laserdrempel te bereiken."
Het probleem is dat elke holte niet alleen een "fundamentele" frequentie van een laser in de grondtoestand ondersteunt, maar ook verschillende aangeslagen toestanden met een hogere frequentie. Het harder pompen van de holte om het vermogen van de laser te vergroten, heeft onvermijdelijk de neiging om deze hogere frequentietoestanden op te wekken naar de laserdrempel. Lasers met een hoger vermogen hebben grotere holtes nodig, maar deze ondersteunen een dichter spectrum van frequenties.
Niemand wist wat hij eraan moest doen
"Als de winst alleen overlapt met de fundamentele, dan zal alleen de fundamentele laseren, en mensen maken zonder problemen de hele tijd nanolasers", zegt Kanté. "Maar als de hogere-orde-modus in de buurt komt, kun je geen onderscheid maken tussen de twee en zullen ze allebei laseren. Dit is een probleem van zes decennia: iedereen weet het en niemand weet wat hij eraan moet doen.”
Tot nu toe, dat wel. Als de fundamentele holtemodus alle energie van het versterkingsmedium zou kunnen absorberen, redeneerden de onderzoekers, zouden alle modi van hogere orde worden onderdrukt. Het probleem bij een conventionele laserholte is dat de golffunctie van de grondtoestand maximaal is in het midden van de holte en naar de randen toe tot nul daalt. "In elke laser die een oppervlak uitstraalt, of elke holte die we tot nu toe kennen ... is er geen lasering [op de grondfrequentie] vanaf de rand", legt Kanté uit; “Als er geen laser vanaf de rand is, heb je daar veel winst. En daardoor leeft de tweede-orde modus aan de rand, en al snel wordt de laser multimode.”
Om dit probleem te omzeilen, gebruikten Kanté en collega's fotonische kristallen. Dit zijn periodieke structuren die, net als elektronische halfgeleiders, "band gaps" hebben - frequenties waarop ze ondoorzichtig zijn. Net als grafeen in de elektronica bevatten fotonische kristallen over het algemeen Dirac-kegels in hun bandstructuren. Op het hoekpunt van zo'n kegel bevindt zich het Dirac-punt, waar de band gap sluit.
Zeshoekig fotonisch kristal
De onderzoekers ontwierpen een laserholte met een hexagonaal fotonisch kristalrooster dat aan de randen open was, waardoor fotonen in de ruimte rond het kristal konden lekken, wat betekent dat de golffunctie niet beperkt was tot nul aan de rand. Het fotonische kristal had een Dirac-punt op momentum nul. Omdat momentum evenredig is met de golfvector, was de golfvector in het vlak daarom nul. Dit betekent dat de holte inderdaad een modus ondersteunde die over het hele rooster een enkele waarde had. Op voorwaarde dat de holte werd gepompt met de energie van deze modus, ging er nooit energie naar een andere modus, hoe groot de holte ook was. "Het foton heeft geen momentum in het vlak, dus het enige dat overblijft is dat het verticaal ontsnapt", legt Kanté uit.
De onderzoekers maakten holtes met 19, 35 en 51 gaten: "Als je niet pompt met de Dirac-frequentie-singulariteit, zie je op meerdere pieken laseren", zegt Kanté. “Bij de Dirac-singulariteit wordt het nooit multimode. De vlakke modus verwijdert de versterking voor de modi van een hogere orde. ” Theoretische modellering suggereert dat het ontwerp zelfs zou moeten werken voor holtes met miljoenen gaten.
Topologische bron zendt licht uit met hoge en meerdere orbitale hoekmomenten
In de toekomst gelooft Kanté dat de concepten die door zijn team zijn ontwikkeld, implicaties kunnen hebben voor de elektronica zelf en voor de schaalbaarheid van de kwantummechanica voor de macroscopische wereld in het algemeen. "De uitdaging in de kwantumwetenschap is schaalvergroting", zegt hij. "Mensen werken aan supergeleidende qubits, opgesloten atomen, defecten in kristallen... het enige wat ze willen is schalen. Mijn bewering is dat het te maken heeft met de fundamentele aard van de Schrödingervergelijking: wanneer het systeem gesloten is, schaalt het niet; als je wilt dat het systeem schaalt, moet het systeem verlies hebben”, zegt hij.
Liang Feng van de University of Pennsylvania voegt hieraan toe: "De single-mode wide-area laser is een van de heilige gralen die actief wordt nagestreefd door de halfgeleiderlasergemeenschap, en schaalbaarheid is de belangrijkste verdienste". “[Kanté's werk] laat zien waar mensen naar op zoek zijn, en het toont uitzonderlijke schaalbaarheid, ondersteund door uitstekende experimentele resultaten. Het is duidelijk dat er meer werk moet worden verzet om deze strategie, gedemonstreerd in optisch gepompte lasers, om te zetten in levensvatbare elektrisch geïnjecteerde diodelasers, maar we kunnen verwachten dat dit werk een nieuwe generatie hoogwaardige lasers zal inspireren waarvan meerdere baanbrekende industrieën kunnen profiteren zoals virtual en augmented reality-systemen, LiDAR's, defensie en zoveel andere waar lasers een cruciale rol spelen."
Het team heeft zijn apparaat de Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) genoemd en beschrijft het in een onbewerkte voorbeeldversie van hun paper die momenteel beschikbaar is op de NATUUR website.
