Дослідники в США створили лазери, які повинні бути масштабовані до будь-якої високої потужності, зберігаючи чистоту частоти. Їхній винахід, який базується на аналогії фізики електронів у напівпровіднику Дірака, такому як графен, вирішує проблему, яка сягає винаходу лазера. Дослідники вважають, що їх робота також може надихнути на фундаментальні теоретичні відкриття в квантовій механіці в макроскопічних масштабах.
Будь-який лазер за своєю суттю складається з двох основних компонентів: резонатора та підсилювального середовища – зазвичай напівпровідника, пояснює Бубакар Канте Каліфорнійського університету в Берклі – старший автор статті, яка буде опублікована в природа опис лазерів. «Напівпровідник випромінює широкий діапазон частот, а резонатор вибирає, яку частоту буде посилено, щоб досягти порогу генерації».
Проблема полягає в тому, що будь-який резонатор підтримуватиме не лише «основну» частоту лазера в основному стані, а й кілька збуджених станів з високою частотою. Посилене накачування резонатора для підвищення потужності лазера неминуче призводить до збудження цих високочастотних станів до порогу генерації. Лазери з більшою потужністю потребують більших порожнин, але вони підтримують щільніший спектр частот.
Ніхто не знав, що з цим робити
«Якщо підсилення лише накладається на фундаментальний, то лазер буде працювати лише на фундаментальному, і люди постійно створюють нанолазери без проблем», — каже Канте. «Але якщо мода вищого порядку наближається, ви не можете розрізнити їх, і вони обидва будуть випромінювати. Це проблема шестидесятилітньої давності: всі знають про це, і ніхто не знає, що з цим робити».
Досі, тобто. Якби основна мода резонатора була здатна поглинати всю енергію із середовища підсилення, міркували дослідники, усі моди вищого порядку були б придушені. Проблема у звичайному лазерному резонаторі полягає в тому, що хвильова функція основного стану досягає максимуму в центрі резонатора і падає до нуля до країв. «У будь-якому лазері, що випромінює поверхню, або в будь-якому резонаторі, який ми знаємо на сьогоднішній день... немає генерації [на основній частоті] від краю», — пояснює Канте; «Якщо генерація від краю відсутня, у вас є велике посилення. І через це мода другого порядку живе на краю, і дуже скоро лазер стає багатомодовим».
Щоб вирішити цю проблему, Канте та його колеги використовували фотонні кристали. Це періодичні структури, які, як і електронні напівпровідники, мають «зазори» — частоти, на яких вони непрозорі. Подібно до графену в електроніці, фотонні кристали зазвичай містять конуси Дірака у своїх зонах. У вершині такого конуса знаходиться точка Дірака, де закривається заборонена зона.
Гексагональний фотонний кристал
Дослідники сконструювали лазерний резонатор, що містить гексагональну фотонну кристалічну решітку, яка була відкрита по краях, дозволяючи фотонам просочуватися в простір навколо кристала, тобто хвильова функція не була обмежена рівною нулю на його краю. Фотонний кристал мав точку Дірака при нульовому імпульсі. Оскільки імпульс пропорційний хвильовому вектору, площинний хвильовий вектор дорівнює нулю. Це означає, що порожнина справді підтримувала режим, який мав єдине значення по всій решітці. За умови, що резонатор накачувався енергією цього режиму, енергія ніколи не переходила в будь-який інший режим, незалежно від того, наскільки великий резонатор. «Фотон не має імпульсу в площині, тому єдине, що залишилося, — це вийти вертикально», — пояснює Канте.
Дослідники виготовили порожнини з 19, 35 і 51 отвором: «Коли ви не працюєте на сингулярності частоти Дірака, ви бачите генерацію на кількох піках», — каже Канте. «У сингулярності Дірака вона ніколи не стає багатомодовою. Рівний режим усуває посилення для режимів вищого порядку». Теоретичне моделювання показує, що конструкція повинна працювати навіть для порожнин, що містять мільйони отворів.
Топологічний джерело випромінює світло з великим і множинним орбітальним моментом
У майбутньому Канте вважає, що концепції, розроблені його командою, можуть мати наслідки для самої електроніки та для масштабованості квантової механіки до макроскопічного світу в цілому. «Всі проблеми квантової науки — це масштабування», — каже він. «Люди працюють над надпровідними кубітами, захопленими атомами, дефектами в кристалах… єдине, що вони хочуть – це масштаб. Я стверджую, що це пов’язано з фундаментальною природою рівняння Шредінгера: коли система закрита, вона не масштабується; якщо ви хочете, щоб система масштабувалася, вона повинна мати втрати», — каже він.
Лян Фен Університету Пенсільванії додає: «Одномодовий широкозонний лазер є одним із святих граалів, які активно прагнуть спільнотою напівпровідникових лазерів, і масштабованість є найважливішою перевагою». «[Робота Канте] демонструє саме те, що люди шукають, і демонструє виняткову масштабованість, підкріплену чудовими експериментальними результатами. Очевидно, що потрібно зробити більше, щоб трансформувати цю стратегію, продемонстровану в лазерах з оптичною накачкою, у життєздатні діодні лазери з електричним інжектуванням, але ми можемо очікувати, що ця робота надихне нове покоління високоефективних лазерів, які можуть принести користь багатьом галузям, що змінюють правила гри. як системи віртуальної та доповненої реальності, LiDAR, оборона та багато інших, де лазери відіграють вирішальну роль».
Команда охрестила свій пристрій Berkeley Surface Emitting Laser (BerkSEL) і описала його в невідредагована версія попереднього перегляду їх статті який зараз доступний на природа .
