Frekans saflığını korurken keyfi olarak yüksek güçlere ölçeklenebilmesi gereken lazerler, ABD'deki araştırmacılar tarafından üretildi. Grafen gibi bir Dirac yarı iletkenindeki elektronların fiziğinin bir benzerine dayanan buluşları, lazerin icadına kadar uzanan bir sorunu çözüyor. Araştırmacılar, çalışmalarının aynı zamanda makroskopik ölçeklerde kuantum mekaniğindeki temel teorik keşiflere de ilham verebileceğine inanıyor.
Herhangi bir lazer temel olarak iki temel bileşenden oluşur: bir boşluk ve bir kazanç ortamı (genellikle bir yarı iletken), şöyle açıklıyor: Boubacar Kanté California Üniversitesi, Berkeley'den - bu dergide yayınlanacak bir makalenin kıdemli yazarı Tabiat lazerleri anlatıyor. "Yarı iletken geniş bir frekans aralığı yayar ve boşluk, kalıcı eşiğe ulaşmak için hangi frekansın yükseltileceğini seçer."
Sorun şu ki, herhangi bir boşluk, yalnızca bir lazerin temel durum "temel" frekansını değil, aynı zamanda birçok yüksek frekanslı uyarılmış durumu da destekleyecektir. Lazerin gücünü artırmak için boşluğu daha sert pompalamak, kaçınılmaz olarak bu yüksek frekans durumlarını kalıcı eşiğe doğru uyarma eğilimindedir. Daha yüksek güçlü lazerler daha büyük boşluklara ihtiyaç duyar, ancak bunlar daha yoğun bir frekans spektrumunu destekler.
Kimse bu konuda ne yapacağını bilmiyordu
Kanté, "Kazanç yalnızca temel ile örtüşüyorsa, o zaman yalnızca temel kalıcı olacaktır ve insanlar nanolazerleri her zaman sorunsuz bir şekilde üretebilir" diyor. “Fakat eğer yüksek dereceli mod yaklaşırsa, ikisini birbirinden ayırt edemezsiniz ve ikisi de söner. Bu altmış yıllık bir sorun: Herkes bunu biliyor ve kimse bu konuda ne yapacağını bilmiyor.”
Şu ana kadar öyle. Araştırmacılar, eğer temel boşluk modu kazanç ortamındaki tüm enerjiyi emebilseydi, tüm yüksek dereceli modların bastırılacağını düşündüler. Geleneksel bir lazer boşluğundaki sorun, temel durum dalga fonksiyonunun boşluğun merkezinde maksimumda olması ve kenarlara doğru sıfıra düşmesidir. Kanté şöyle açıklıyor: "Lazer yayan herhangi bir yüzeyde veya bugüne kadar bildiğimiz herhangi bir boşlukta... kenardan lazerleme (temel frekansta) yoktur"; “Eğer kenardan lazerleme yoksa, orada çok fazla kazancınız var. Bu nedenle ikinci dereceden mod sınırda yaşıyor ve çok geçmeden lazer çok modlu hale geliyor."
Bu sorunu aşmak için Kanté ve meslektaşları fotonik kristallerden yararlandılar. Bunlar, elektronik yarı iletkenler gibi, opak oldukları frekanslar olan "bant boşluklarına" sahip periyodik yapılardır. Elektronikteki grafen gibi fotonik kristallerin bant yapılarında genellikle Dirac konileri bulunur. Böyle bir koninin tepe noktasında bant aralığının kapandığı Dirac noktası bulunur.
Altıgen fotonik kristal
Araştırmacılar, kenarları açık olan ve fotonların kristalin etrafındaki boşluğa sızmasına izin veren altıgen bir fotonik kristal kafesi içeren bir lazer boşluğu tasarladılar; bu, dalga fonksiyonunun kenarda sıfırla sınırlı olmadığı anlamına geliyordu. Fotonik kristalin sıfır momentumda bir Dirac noktası vardı. Momentum dalga vektörüyle orantılı olduğundan, düzlem içi dalga vektörü bu nedenle sıfırdı. Bu, boşluğun gerçekten de kafesin her yerinde tek değerli bir modu desteklediği anlamına gelir. Kavitenin bu moddaki enerjiyle pompalanması şartıyla, kavite ne kadar büyük olursa olsun hiçbir enerji başka bir moda gitmezdi. Kanté şöyle açıklıyor: "Fotonun düzlem içi momentumu yok, bu yüzden geriye kalan tek şey dikey olarak kaçmak."
Araştırmacılar 19, 35 ve 51 delikten oluşan boşluklar ürettiler: Kanté, "Dirac frekans tekilliğinde pompalama yapmadığınızda, birden fazla tepe noktasının devam ettiğini görürsünüz" diyor. “Dirac tekilliğinde asla çok modlu olmaz. Düz mod, daha yüksek dereceli modlar için kazancı ortadan kaldırır." Teorik modelleme, tasarımın milyonlarca delik içeren boşluklarda bile çalışması gerektiğini öne sürüyor.
Topolojik kaynak, yüksek ve çoklu yörüngesel açısal momentuma sahip ışık yayar
Gelecekte Kanté, ekibi tarafından geliştirilen kavramların elektroniğin kendisinde ve kuantum mekaniğinin daha genel olarak makroskobik dünyaya ölçeklenebilirliği üzerinde etkileri olabileceğine inanıyor. "Kuantum bilimindeki tüm zorluk ölçeklendirmedir" diyor. "İnsanlar süperiletken kübitler, hapsolmuş atomlar, kristallerdeki kusurlar üzerinde çalışıyorlar. Yapmak istedikleri tek şey ölçeklendirmek. Benim iddiam bunun Schrödinger denkleminin temel doğasıyla ilgili olduğu yönünde: sistem kapalıyken ölçeklenmiyor; Sistemin ölçeklenmesini istiyorsanız sistemin kayıp yaşaması gerekiyor” diyor.
Liang Feng Pensilvanya Üniversitesi'nden Dr. şunu ekliyor: "Tek modlu geniş alanlı lazer, yarı iletken lazer topluluğu tarafından aktif olarak takip edilen kutsal kaselerden biridir ve ölçeklenebilirlik en kritik değerdir". “[Kanté'nin çalışması] insanların tam olarak aradıklarını gösteriyor ve mükemmel deneysel sonuçlarla desteklenen olağanüstü ölçeklenebilirlik sergiliyor. Açıkçası, optik olarak pompalanan lazerlerde gösterilen bu stratejiyi elektrikle enjekte edilen uygulanabilir diyot lazerlere dönüştürmek için daha fazla çalışma yapılması gerekiyor, ancak bu çalışmanın, oyunun kurallarını değiştiren birçok sektöre fayda sağlayabilecek yeni nesil yüksek performanslı lazerlere ilham vermesini bekleyebiliriz. sanal ve artırılmış gerçeklik sistemleri, LiDAR'lar, savunma ve lazerlerin kritik rol oynadığı diğer pek çok şey gibi."
Ekip, cihazına Berkeley Yüzey Yayan Lazer (BerkSEL) adını verdi ve bunu bir makalelerinin düzenlenmemiş önizleme sürümü şu anda mevcut olan Tabiat adresinden özetlerini gönderebilirler.
