Laserljus går en kvantvandring i ett mikrochip – Physics World

Forskare vid ETH Zürich i Schweiz har förvandlat en mikrochiplaser som sänder ut en enda frekvens (eller färg) av ljus till en som sänder ut ljus över ett brett spektrum av frekvenser. Den nya optiska kamanordningen, som fungerar tack vare en process känd som en kvantvandring, skulle kunna användas för att tillverka miniatyriserade optiska sensorer för miljö- och medicinsk övervakning och för att öka dataöverföringshastigheterna inom telekommunikation.

Leds av fysiker Jérôme Faist, den ETH forskare började med en kvantkaskadlaser integrerad i ett mikrochip. Denna enhet består av en mikroringstruktur som består av lager av arsenid, gallium, indium och aluminium. Ringen begränsar och styr ljus och när den är ansluten till en direkt källa av elektrisk ström stimuleras elektronerna i den att snabbt hoppa över de olika lagren och sända ut en kaskad av fotoner. När fotonerna cirkulerar i ringen förökar de sig och producerar koherent laserljus med en enda frekvens.

Faist och kollegor fann att om de exciterar detta system med en extra växelström som oscillerar vid en viss resonansfrekvens, går ljuset som sänds ut från att vara en enda färg till flera färger på bara några nanosekunder. Framför allt, innan det stabiliserar sin slutliga form, liknar spektrumet av det emitterade ljuset rörelsen av en så kallad kvantvandring.

En lasers kvantvandring

Först föreslagen av fysikern och nobelpristagaren Richard Feynman, är kvantvandringen mycket annorlunda än den klassiska random walk som vanligtvis används för att modellera beteendet hos fysiska system som sträcker sig från fluktuerande aktiemarknader till den Brownska rörelsen av pollenkorn på ytan av en vätska. Den klassiska slumpmässiga promenaden fungerar som en vilsen vandrare som väljer sina nästa steg efter att kasta ett mynt. Om myntet landar på huvuden, till exempel, kan vandraren ta ett steg till vänster, medan svansar kan kräva ett steg till höger. Efter många myntkast kommer vandrarens position att vara slumpmässig, men troligen nära deras startpunkt.

I en kvantvandring, däremot, rör sig en kvantpartikel effektivt i båda riktningarna samtidigt efter varje kast, och antar en sammanhängande överlagring av höger och vänster. Detta innebär att det alltid finns flera möjliga vägar som partikeln kan ta för att nå sin slutliga position.

Ett optiskt kamliknande spektrum

I den nya enheten har denna kvantvandring ett anmärkningsvärt resultat. "De olika färgerna (eller frekvenserna) tillför energi till det emitterade ljuset och skapar ett optiskt kamliknande spektrum," förklarar Faist. "De optiska frekvenserna är lika långt från varandra, och deras antal väljs av frekvensen och amplituden för den elektriska oscillerande signalen som skickas till lasern."

Quantum random walk sätter en gräns för superposition

När det gäller tillämpningar säger forskarna att miniatyriserade optiska sensorer för miljö- och medicinsk övervakning är en möjlighet. På längre sikt tillägger Faist att sådana enheter kan öka dataöverföringshastigheten för optisk kommunikation, eftersom varje ljusfärg som lasern sänder ut – upp till 100 färger totalt – skulle kunna fungera som en oberoende kommunikationskanal.

Forskarna rapporterar sina resultat i Vetenskap.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/laser-light-goes-for-a-quantum-walk-in-a-microchip/