Lasers que devem ser escaláveis para potências arbitrariamente altas, mantendo sua pureza de frequência, foram produzidos por pesquisadores nos EUA. Sua invenção, que se baseia em um análogo da física dos elétrons em um semicondutor Dirac, como o grafeno, resolve um problema que remonta à invenção do laser. Os pesquisadores acreditam que seu trabalho também pode inspirar descobertas teóricas fundamentais na mecânica quântica em escalas macroscópicas.
Qualquer laser compreende fundamentalmente dois componentes essenciais: uma cavidade e um meio de ganho – geralmente um semicondutor, explica Boubacar Kanté da Universidade da Califórnia, Berkeley - o autor sênior de um artigo que aparecerá na Natureza descrevendo os lasers. “O semicondutor emite uma ampla faixa de frequências e a cavidade seleciona qual frequência será amplificada para atingir o limiar do laser.”
O problema é que qualquer cavidade suportará não apenas uma frequência “fundamental” do estado fundamental de um laser, mas também vários estados excitados de frequência mais alta. Bombear a cavidade com mais força para aumentar a potência do laser inevitavelmente tende a excitar esses estados de frequência mais alta em direção ao limiar do laser. Lasers de maior potência precisam de cavidades maiores, mas elas suportam um espectro de frequências mais denso.
Ninguém sabia o que fazer sobre isso
“Se o ganho apenas se sobrepuser ao fundamental, então apenas o fundamental irá falhar, e as pessoas fazem nanolasers o tempo todo sem problemas”, diz Kanté. “Mas se o modo de ordem superior se aproximar, você não poderá distinguir entre os dois e ambos irão falhar. Este é um problema de seis décadas: todo mundo sabe disso e ninguém sabe o que fazer a respeito.”
Até agora, é isso. Se o modo de cavidade fundamental fosse capaz de absorver toda a energia do meio de ganho, raciocinaram os pesquisadores, todos os modos de ordem superior seriam suprimidos. O problema em uma cavidade de laser convencional é que a função de onda do estado fundamental é máxima no centro da cavidade e cai para zero em direção às bordas. “Em qualquer superfície que emite laser, ou qualquer cavidade que conhecemos até hoje… não há laser [na frequência fundamental] da borda”, explica Kanté; “Se não houver laser na borda, você tem muito ganho disponível lá. E por causa disso o modo de segunda ordem vive na borda, e muito em breve o laser se torna multimodo.”
Para contornar esse problema, Kanté e seus colegas utilizaram cristais fotônicos. Essas são estruturas periódicas, que, como semicondutores eletrônicos, possuem “band gaps” – frequências nas quais são opacas. Como o grafeno na eletrônica, os cristais fotônicos geralmente contêm cones de Dirac em suas estruturas de banda. No vértice de tal cone está o ponto de Dirac, onde o intervalo da banda se fecha.
cristal fotônico hexagonal
Os pesquisadores projetaram uma cavidade de laser contendo uma treliça de cristal fotônico hexagonal que estava aberta nas bordas, permitindo que fótons vazassem para o espaço ao redor do cristal, o que significa que a função de onda não estava confinada a zero em sua borda. O cristal fotônico tinha um ponto de Dirac com momento zero. Como o momento é proporcional ao vetor de onda, o vetor de onda no plano era, portanto, zero. Isso significa que a cavidade realmente suportava um modo que tinha valor único em toda a rede. Desde que a cavidade fosse bombeada com a energia desse modo, nenhuma energia jamais entraria em nenhum outro modo, não importando o tamanho da cavidade. “O fóton não tem momento no plano, então a única coisa que resta é escapar verticalmente”, explica Kanté.
Os pesquisadores fabricaram cavidades com 19, 35 e 51 buracos: “Quando você não está bombeando na singularidade de frequência de Dirac, você vê o laser em vários picos”, diz Kanté. “Na singularidade de Dirac, nunca se torna multimodo. O modo plano remove o ganho para os modos de ordem superior.” A modelagem teórica sugere que o projeto deve funcionar mesmo para cavidades contendo milhões de furos.
Fonte topológica emite luz com momentos angulares orbitais altos e múltiplos
No futuro, Kanté acredita que os conceitos desenvolvidos por sua equipe podem ter implicações na própria eletrônica e na escalabilidade da mecânica quântica para o mundo macroscópico de forma mais geral. “Todo o desafio na ciência quântica está em escala”, diz ele. “As pessoas estão trabalhando em qubits supercondutores, átomos presos, defeitos em cristais… a única coisa que querem fazer é escalar. Minha alegação é que tem a ver com a natureza fundamental da equação de Schrödinger: quando o sistema é fechado, ele não escala; se você quer que o sistema escale, o sistema precisa ter perdas”, diz ele.
Liang Feng da Universidade da Pensilvânia acrescenta: “O laser de área ampla de modo único é um dos santos graais ativamente perseguidos pela comunidade de laser de semicondutores, e a escalabilidade é o mérito mais crítico”. “[O trabalho de Kanté] demonstra exatamente o que as pessoas estão procurando e demonstra uma escalabilidade excepcional apoiada por excelentes resultados experimentais. Obviamente, mais trabalho precisa ser feito para transformar essa estratégia, demonstrada em lasers bombeados opticamente, em lasers de diodo eletricamente injetados viáveis, mas podemos esperar que este trabalho inspire uma nova geração de lasers de alto desempenho que podem beneficiar várias indústrias revolucionárias como sistemas de realidade virtual e aumentada, LiDARs, defesa e tantos outros onde os lasers desempenham papéis críticos.”
A equipe apelidou seu dispositivo de Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) e o descreve em uma versão prévia não editada de seu artigo que está atualmente disponível no Natureza .
