นักวิจัยในสหรัฐอเมริกาผลิตเลเซอร์ที่ควรปรับขนาดได้ตามกำลังสูงโดยพลการในขณะที่ยังคงรักษาความบริสุทธิ์ของความถี่ไว้ การประดิษฐ์ของพวกเขาซึ่งอาศัยความคล้ายคลึงกับฟิสิกส์ของอิเล็กตรอนในเซมิคอนดักเตอร์ Dirac เช่นกราฟีน ช่วยแก้ปัญหาย้อนหลังไปถึงการประดิษฐ์เลเซอร์ได้ นักวิจัยเชื่อว่างานของพวกเขาสามารถสร้างแรงบันดาลใจให้กับการค้นพบทางทฤษฎีพื้นฐานเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัมในระดับมหภาคได้
เลเซอร์ใดๆ โดยพื้นฐานแล้วประกอบด้วยองค์ประกอบที่สำคัญสองส่วน ได้แก่ ช่องและตัวกลางเกน ซึ่งโดยปกติจะเป็นเซมิคอนดักเตอร์ อธิบาย บูบาการ์ ก็องเต้ แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ – ผู้เขียนอาวุโสของบทความที่จะปรากฏใน ธรรมชาติ อธิบายเรื่องเลเซอร์ “เซมิคอนดักเตอร์ปล่อยความถี่ที่หลากหลาย และช่องจะเลือกความถี่ที่จะขยายให้ถึงเกณฑ์การเลเซอร์”
ปัญหาคือช่องใดๆ จะรองรับไม่เพียงแต่ความถี่ "พื้นฐาน" ของเลเซอร์ในสถานะพื้นเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสถานะตื่นเต้นที่มีความถี่สูงกว่าอีกหลายรายการด้วย การปั๊มโพรงให้หนักขึ้นเพื่อเพิ่มพลังของเลเซอร์ย่อมมีแนวโน้มที่จะกระตุ้นสถานะความถี่ที่สูงกว่าเหล่านี้ไปสู่เกณฑ์การเลเซอร์ เลเซอร์กำลังสูงจำเป็นต้องมีช่องขนาดใหญ่ แต่สิ่งเหล่านี้รองรับสเปกตรัมความถี่ที่หนาแน่นกว่า
ไม่มีใครรู้ว่าต้องทำอย่างไรกับเรื่องนี้
“หากกำไรซ้อนทับกับปัจจัยพื้นฐานเท่านั้น ก็จะสูญเสียเพียงปัจจัยพื้นฐานเท่านั้น และผู้คนก็สร้างนาโนเลเซอร์ตลอดเวลาโดยไม่มีปัญหา” Kanté กล่าว “แต่หากโหมดลำดับที่สูงกว่าเข้ามาใกล้ คุณจะไม่สามารถแยกความแตกต่างระหว่างทั้งสองได้ และทั้งสองก็จะพ่ายแพ้ นี่เป็นปัญหาที่มีมายาวนานกว่าหกทศวรรษ ทุกคนรู้ และไม่มีใครรู้ว่าต้องทำอย่างไรกับมัน”
จนถึงตอนนี้ก็คือ หากโหมดโพรงพื้นฐานสามารถดูดซับพลังงานทั้งหมดจากตัวกลางที่ได้รับ นักวิจัยให้เหตุผลว่าโหมดลำดับที่สูงกว่าทั้งหมดจะถูกระงับ ปัญหาในช่องเลเซอร์แบบเดิมคือฟังก์ชันคลื่นของสถานะกราวด์อยู่ที่จุดสูงสุดที่กึ่งกลางของช่องและตกลงไปที่ขอบเป็นศูนย์ “ในการปล่อยเลเซอร์ที่พื้นผิวใดๆ หรือช่องใดๆ ที่เรารู้จักจนถึงปัจจุบัน…ไม่มีการเลเซอร์ [ที่ความถี่พื้นฐาน] จากขอบ” Kanté อธิบาย; “หากไม่มีการเลเซอร์จากขอบ คุณจะได้รับประโยชน์มากมายจากที่นั่น และด้วยเหตุนี้โหมดลำดับที่สองจึงอาศัยอยู่ที่ขอบ และในไม่ช้าเลเซอร์ก็จะกลายเป็นมัลติโหมด”
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ Kanté และเพื่อนร่วมงานจึงใช้คริสตัลโฟโตนิก โครงสร้างเหล่านี้เป็นโครงสร้างคาบ ซึ่งมี "ช่องว่างของแถบความถี่" เช่นเดียวกับเซมิคอนดักเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งเป็นความถี่ที่ทึบแสง เช่นเดียวกับกราฟีนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โดยทั่วไปคริสตัลโฟโตนิกจะมีกรวย Dirac ในโครงสร้างของแถบความถี่ ที่จุดยอดของกรวยคือจุด Dirac ซึ่งเป็นจุดที่ช่องว่างของแถบปิด
คริสตัลโทนิคหกเหลี่ยม
นักวิจัยได้ออกแบบช่องเลเซอร์ที่มีตาข่ายคริสตัลโฟโตนิกหกเหลี่ยมที่เปิดอยู่ที่ขอบ ทำให้โฟตอนรั่วไหลเข้าไปในช่องว่างรอบๆ คริสตัล ซึ่งหมายความว่าฟังก์ชันคลื่นไม่ได้จำกัดอยู่ที่ขอบของมัน คริสตัลโฟโตนิกมีจุด Dirac ที่โมเมนตัมเป็นศูนย์ เนื่องจากโมเมนตัมเป็นสัดส่วนกับเวกเตอร์คลื่น ดังนั้นเวกเตอร์คลื่นในระนาบจึงเป็นศูนย์ ซึ่งหมายความว่าช่องรองรับโหมดที่มีค่าเดียวทั่วทั้งตาข่ายจริงๆ หากช่องถูกสูบด้วยพลังงานของโหมดนี้ ก็จะไม่มีพลังงานใดเข้าสู่โหมดอื่นใดเลย ไม่ว่าช่องนั้นจะใหญ่แค่ไหนก็ตาม “โฟตอนไม่มีโมเมนตัมในระนาบ ดังนั้นสิ่งเดียวที่เหลือคือให้มันหลุดออกไปในแนวตั้ง” Kanté อธิบาย
นักวิจัยประดิษฐ์โพรงที่ประกอบด้วย 19, 35 และ 51 รู: “เมื่อคุณไม่ได้ปั๊มที่ความถี่เอกฐานของ Dirac คุณจะเห็นการลาที่จุดสูงสุดหลายจุด” Kanté กล่าว “ด้วยความเอกฐานของ Dirac มันไม่เคยกลายเป็นมัลติโหมดเลย โหมดแบนจะลบกำไรสำหรับโหมดลำดับที่สูงกว่า” การสร้างแบบจำลองทางทฤษฎีแนะนำว่าการออกแบบควรใช้งานได้แม้ในโพรงที่มีรูหลายล้านรู
แหล่งกำเนิดทอพอโลยีเปล่งแสงด้วยโมเมนตาเชิงมุมของวงโคจรสูงและหลายวง
ในอนาคต Kanté เชื่อว่าแนวคิดที่พัฒนาโดยทีมงานของเขาอาจมีผลกระทบต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และต่อความสามารถในการปรับขนาดของกลศาสตร์ควอนตัมสู่โลกขนาดมหภาคโดยทั่วไป “ความท้าทายทั้งหมดในวิทยาศาสตร์ควอนตัมคือการปรับขนาด” เขากล่าว “ผู้คนกำลังทำงานเกี่ยวกับคิวบิตตัวนำยิ่งยวด อะตอมที่ติดอยู่ ข้อบกพร่องในคริสตัล...สิ่งเดียวที่พวกเขาต้องการทำคือปรับขนาด คำกล่าวอ้างของฉันคือเกี่ยวข้องกับธรรมชาติพื้นฐานของสมการชโรดิงเงอร์: เมื่อระบบปิด ระบบจะไม่ขยายขนาด หากคุณต้องการให้ระบบขยายขนาด ระบบจะต้องมีการสูญเสีย” เขากล่าว
เหลียงเฟิง แห่งมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียกล่าวเสริมว่า "เลเซอร์พื้นที่กว้างแบบโหมดเดียวเป็นหนึ่งในจอกศักดิ์สิทธิ์ที่ชุมชนเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ติดตามอย่างแข็งขัน และความสามารถในการปรับขนาดถือเป็นข้อดีที่สำคัญที่สุด" “[งานของ Kanté] แสดงให้เห็นถึงสิ่งที่ผู้คนกำลังมองหา และแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการขยายขนาดที่ยอดเยี่ยมซึ่งได้รับการสนับสนุนจากผลการทดลองที่ยอดเยี่ยม เห็นได้ชัดว่าต้องมีการทำงานมากขึ้นเพื่อเปลี่ยนกลยุทธ์นี้ ซึ่งแสดงให้เห็นในเลเซอร์ที่ถูกปั๊มด้วยแสง ให้เป็นเลเซอร์ไดโอดที่ฉีดด้วยไฟฟ้า แต่เราสามารถคาดหวังได้ว่างานนี้จะสร้างแรงบันดาลใจให้กับเลเซอร์ประสิทธิภาพสูงรุ่นใหม่ที่สามารถเป็นประโยชน์ต่ออุตสาหกรรมที่เปลี่ยนแปลงเกมได้หลายอย่าง เช่นระบบเสมือนจริงและความเป็นจริงเสริม LiDAR การป้องกัน และอื่นๆ อีกมากมายที่เลเซอร์มีบทบาทสำคัญ”
ทีมงานได้ตั้งชื่ออุปกรณ์ของตนว่า Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) และอธิบายไว้ในไฟล์ เอกสารฉบับตัวอย่างที่ยังไม่ได้แก้ไข ที่มีอยู่ในปัจจุบันบน ธรรมชาติ เว็บไซต์.
