Laserele care ar trebui să fie scalabile la puteri arbitrar mari, păstrându-și puritatea frecvenței, au fost produse de cercetători din SUA. Invenția lor, care se bazează pe un analog cu fizica electronilor dintr-un semiconductor Dirac, cum ar fi grafenul, rezolvă o problemă care datează de la invenția laserului. Cercetătorii cred că munca lor ar putea inspira, de asemenea, descoperiri teoretice fundamentale în mecanica cuantică la scară macroscopică.
Orice laser cuprinde în mod fundamental două componente esențiale: o cavitate și un mediu de câștig - de obicei un semiconductor, explică Boubacar Kanté de la Universitatea din California, Berkeley – autorul principal al unei lucrări care va apărea în Natură descriind laserele. „Semiconductorul emite o gamă largă de frecvențe, iar cavitatea selectează ce frecvență va fi amplificată pentru a atinge pragul de laser.”
Problema este că orice cavitate va suporta nu doar o frecvență „fundamentală” a unui laser, ci și mai multe stări excitate de frecvență mai mare. Pomparea mai greu a cavității pentru a crește puterea laserului tinde inevitabil să excite aceste stări de frecvență mai mare către pragul de laser. Laserele de putere mai mare au nevoie de cavități mai mari, dar acestea suportă un spectru mai dens de frecvențe.
Nimeni nu știa ce să facă în privința asta
„Dacă câștigul se suprapune doar cu fundamentalul, atunci doar fundamentalul va pierde, iar oamenii produc nanolasere tot timpul fără nicio problemă”, spune Kanté. „Dar dacă modul de ordin superior se apropie, nu poți face distincția între cele două și ambele vor pierde. Aceasta este o problemă veche de șase decenii: toată lumea o știe și nimeni nu știe ce să facă în privința ei.”
Până acum, adică. Dacă modul cavitate fundamentală ar fi capabil să absoarbă toată energia din mediul de câștig, au motivat cercetătorii, toate modurile de ordin superior ar fi suprimate. Problema într-o cavitate laser convențională este că funcția de undă a stării fundamentale este la maxim în centrul cavității și scade la zero spre margini. „În orice laser emițător de suprafață sau în orice cavitate pe care o cunoaștem până în prezent... nu există laser [la frecvența fundamentală] de la margine”, explică Kanté; „Dacă nu există nicio atingere de la margine, aveți o mulțime de câștiguri disponibile acolo. Și din această cauză, modul de ordinul doi trăiește la margine și foarte curând laserul devine multimod.”
Pentru a rezolva această problemă, Kanté și colegii au folosit cristale fotonice. Acestea sunt structuri periodice, care, la fel ca semiconductorii electronici, au „bandă interzisă” – frecvențe la care sunt opace. La fel ca grafenul din electronică, cristalele fotonice conțin în general conuri Dirac în structurile lor de bandă. La vârful unui astfel de con se află punctul Dirac, unde banda interzisă se închide.
Cristal fotonic hexagonal
Cercetătorii au proiectat o cavitate laser care conține o rețea de cristal fotonic hexagonal, care era deschisă la margini, permițând fotonilor să se scurgă în spațiul din jurul cristalului, ceea ce înseamnă că funcția de undă nu a fost limitată să fie zero la marginea acestuia. Cristalul fotonic avea un punct Dirac la impuls zero. Deoarece impulsul este proporțional cu vectorul de undă, vectorul de undă în plan a fost, prin urmare, zero. Aceasta înseamnă că cavitatea a suportat într-adevăr un mod care a fost evaluat unic pe toată reteaua. Cu condiția ca cavitatea să fie pompată la energia acestui mod, nicio energie nu a intrat vreodată în alt mod, indiferent cât de mare ar fi cavitatea. „Fotonul nu are impuls în plan, așa că singurul lucru rămas este ca acesta să scape pe verticală”, explică Kanté.
Cercetătorii au fabricat cavități cuprinzând 19, 35 și 51 de găuri: „Când nu pompați la singularitatea frecvenței Dirac, vedeți laser la mai multe vârfuri”, spune Kanté. „La singularitatea Dirac, nu devine niciodată multimod. Modul plat elimină câștigul pentru modurile de ordin superior.” Modelarea teoretică sugerează că designul ar trebui să funcționeze chiar și pentru cavitățile care conțin milioane de găuri.
Sursa topologică emite lumină cu momente unghiulare orbitale mari și multiple
În viitor, Kanté crede că conceptele dezvoltate de echipa sa ar putea avea implicații în electronică în sine și asupra scalabilității mecanicii cuantice la lumea macroscopică în general. „Toată provocarea în știința cuantică este scalarea”, spune el. „Oamenii lucrează la qubiți supraconductori, atomi prinși în capcană, defecte în cristale... singurul lucru pe care doresc să-l facă este scalarea. Afirmația mea este că are de-a face cu natura fundamentală a ecuației Schrödinger: atunci când sistemul este închis, nu se scalează; dacă doriți ca sistemul să se extindă, sistemul trebuie să aibă pierderi”, spune el.
Liang Feng de la Universitatea din Pennsylvania adaugă: „Laserul cu zonă largă cu un singur mod este unul dintre sfântul Graal urmărit în mod activ de comunitatea laserului semiconductor, iar scalabilitatea este meritul cel mai critic”. „[Lucrarea lui Kanté] demonstrează exact ceea ce caută oamenii și demonstrează o scalabilitate excepțională susținută de rezultate experimentale excelente. Evident, trebuie depusă mai multă muncă pentru a transforma această strategie, demonstrată în laserele pompate optic, în lasere cu diode viabile cu injectare electrică, dar ne putem aștepta ca această muncă să inspire o nouă generație de lasere de înaltă performanță, care pot beneficia mai multe industrii care schimbă jocul. precum sistemele de realitate virtuală și augmentată, LiDAR-urile, apărarea și multe altele în care laserele joacă roluri critice.”
Echipa și-a numit dispozitivul Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) și l-a descris într-un versiunea de previzualizare needitată a lucrării lor care este disponibil în prezent pe Natură site-ul web.
