Lasere som skal være skalerbare til vilkårlig høye styrker og samtidig beholde frekvensrenheten, er produsert av forskere i USA. Oppfinnelsen deres, som er avhengig av en analog til fysikken til elektroner i en Dirac-halvleder som grafen, løser et problem som går tilbake til oppfinnelsen av laseren. Forskerne mener arbeidet deres også kan inspirere til grunnleggende teoretiske oppdagelser innen kvantemekanikk i makroskopiske skalaer.
Enhver laser består grunnleggende av to essensielle komponenter: et hulrom og et forsterkningsmedium - vanligvis en halvleder, forklarer Boubacar Kanté fra University of California, Berkeley - seniorforfatteren av en artikkel som vil vises i Natur som beskriver laserne. "Halvlederen sender ut et bredt spekter av frekvenser, og hulrommet velger hvilken frekvens som skal forsterkes for å nå laserterskelen."
Problemet er at ethvert hulrom vil støtte ikke bare en grunntilstands "fundamental" frekvens til en laser, men også flere eksiterte tilstander med høyere frekvens. Å pumpe hulrommet hardere for å øke kraften til laseren har uunngåelig en tendens til å begeistre disse høyere frekvenstilstandene mot laserterskelen. Lasere med høyere effekt trenger større hulrom, men disse støtter et tettere spektrum av frekvenser.
Ingen visste hva de skulle gjøre med det
"Hvis gevinsten bare overlapper med det fundamentale, vil bare det fundamentale tape, og folk lager nanolasere hele tiden uten problemer," sier Kanté. "Men hvis høyere-ordens modus kommer nær, kan du ikke skille mellom de to, og de vil begge lase. Dette er et seks tiår gammelt problem: alle vet det, og ingen vet hva de skal gjøre med det.»
Inntil nå, altså. Hvis den grunnleggende hulromsmodusen var i stand til å absorbere all energien fra forsterkningsmediet, resonnerte forskerne, ville alle modusene av høyere orden bli undertrykt. Problemet i et konvensjonelt laserhulrom er at grunntilstandsbølgefunksjonen er på sitt maksimum i midten av hulrommet og faller til null mot kantene. "I noen overflate-emitterende laser, eller ethvert hulrom som vi kjenner til i dag ... er det ingen lasering [ved grunnfrekvensen] fra kanten," forklarer Kanté; «Hvis det ikke er lasering fra kanten, har du mye gevinst tilgjengelig der. Og på grunn av det lever andre-ordens modus på kanten, og veldig snart blir laseren multimodus."
For å omgå dette problemet brukte Kanté og kolleger fotoniske krystaller. Dette er periodiske strukturer, som i likhet med elektroniske halvledere har "båndgap" - frekvenser der de er ugjennomsiktige. Som grafen i elektronikk, inneholder fotoniske krystaller generelt Dirac-kjegler i båndstrukturene. I toppunktet til en slik kjegle er Dirac-punktet, der båndgapet lukkes.
Sekskantet fotonisk krystall
Forskerne designet et laserhulrom som inneholder et sekskantet fotonisk krystallgitter som var åpent i kantene, slik at fotoner kunne lekke inn i rommet rundt krystallen, noe som betyr at bølgefunksjonen ikke var begrenset til å være null ved kanten. Den fotoniske krystallen hadde et Dirac-punkt med null momentum. Ettersom momentum er proporsjonalt med bølgevektoren, var bølgevektoren i planet derfor null. Dette betyr at hulrommet faktisk støttet en modus som var enkelt verdsatt over hele gitteret. Forutsatt at hulrommet ble pumpet med energien til denne modusen, gikk ingen energi inn i noen annen modus, uansett hvor stort hulrommet er. "Fotonet har ingen momentum i planet, så det eneste som gjenstår er at det slipper ut vertikalt," forklarer Kanté.
Forskerne produserte hulrom med 19, 35 og 51 hull: "Når du ikke pumper med Dirac-frekvensens singularitet, ser du lasering ved flere topper," sier Kanté. «På Dirac-singulariteten blir det aldri multimodus. Den flate modusen fjerner forsterkning for modusene med høyere orden." Teoretisk modellering antyder at designet skal fungere selv for hulrom som inneholder millioner av hull.
Topologisk kilde sender ut lys med høye og multiple orbitale vinkelmomenter
I fremtiden tror Kanté at konseptene utviklet av teamet hans kan ha implikasjoner i elektronikken selv, og for skalerbarheten av kvantemekanikk til den makroskopiske verden mer generelt. "All utfordringen innen kvantevitenskap er skalering," sier han. "Folk jobber med superledende qubits, fangede atomer, defekter i krystaller ... det eneste de ønsker å gjøre er skalering. Min påstand er at det har å gjøre med Schrödinger-ligningens grunnleggende natur: når systemet er lukket, skalerer det ikke; hvis du vil at systemet skal skalere, må systemet ha tap, sier han.
Liang Feng fra University of Pennsylvania legger til, "Single-modus bredområdelaseren er en av de hellige gralene som aktivt forfølges av halvlederlasersamfunnet, og skalerbarhet er den mest kritiske verdien". «[Kantés arbeid] demonstrerer akkurat hva folk leter etter, og det viser eksepsjonell skalerbarhet støttet av utmerkede eksperimentelle resultater. Det må åpenbart gjøres mer arbeid for å transformere denne strategien, demonstrert i optisk pumpede lasere, til levedyktige elektrisk injiserte diodelasere, men vi kan forvente at dette arbeidet vil inspirere til en ny generasjon høyytelseslasere som kan være til nytte for flere industrier som endrer spill. som virtuelle og utvidede virkelighetssystemer, LiDAR, forsvar og så mange andre der lasere spiller kritiske roller.»
Teamet har kalt enheten sin Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) og beskriver den i en uredigert forhåndsversjon av papiret deres som for øyeblikket er tilgjengelig på Natur nettside.
