رصدت سوليتونات داكنة في ليزرات أشباه الموصلات الحلقية – عالم الفيزياء

وقد شوهدت السوليتونات الداكنة - مناطق الانقراض البصري على خلفيات مشرقة - وهي تتشكل تلقائيًا في ليزرات أشباه الموصلات الحلقية. يمكن أن تؤدي هذه الملاحظة التي أجراها فريق دولي من الباحثين إلى تحسينات في التحليل الطيفي الجزيئي والإلكترونيات الضوئية المتكاملة.

تعد أمشاط التردد - وهي أشعة ليزر نبضية تنتج ضوءًا بترددات متساوية المسافات - أحد أهم الإنجازات في تاريخ فيزياء الليزر. يُشار إليها أحيانًا باسم المساطر الضوئية، وهي أساس معايير الوقت والتردد وتستخدم لتحديد العديد من الكميات الأساسية في العلوم. ومع ذلك، فإن ليزر المشط الترددي التقليدي ضخم ومعقد ومكلف، ويحرص خبراء الليزر على تطوير إصدارات أبسط يمكن دمجها في الرقائق.

وأثناء قيامهم بإحدى هذه المحاولات في عام 2020، اكتشف الباحثون في فيديريكو كاباسواكتشف فريق في جامعة هارفارد بالصدفة أنه بعد دخوله في البداية في نظام شديد الاضطراب، استقر الليزر الحلقي الكمي في مشط تردد ثابت - وإن كان مزودًا بتسعة أسنان فقط - في منطقة "بصمة" منتصف الأشعة تحت الحمراء المستخدمة على نطاق واسع في التحليل الطيفي الجزيئي.

يحتوي الليزر الحلقي على تجويف بصري يتم فيه توجيه الضوء حول حلقة مغلقة، والليزر الكمي المتتالي هو جهاز شبه موصل يصدر الأشعة تحت الحمراء.

نتائج غير متوقعة

يقول جامعة هارفارد: «لقد جاءت كل هذه النتائج المثيرة للاهتمام من جهاز تحكم، ولم نكن نتوقع حدوث ذلك». ماركو بيكاردو. وبعد أشهر من الحيرة، توصل الباحثون إلى أن التأثير يمكن فهمه من حيث عدم الاستقرار في المعادلة التفاضلية غير الخطية التي تصف النظام - معادلة جينزبرج لانداو المعقدة.

وفي العمل الجديد، تعاون كاباسو وزملاؤه مع باحثين في هذا المجال بنديكت شوارتزمجموعة في جامعة فيينا للتكنولوجيا. قام الفريق النمساوي بتطوير عدة تصميمات لأمشاط التردد المعتمدة على الليزر الكمي المتتالي. قام الباحثون بدمج مقرنة الدليل الموجي في نفس الشريحة. وهذا يجعل استخراج الضوء أسهل بكثير ويحقق طاقة إخراج أكبر. كما يسمح للعلماء بضبط خسائر الاقتران، ودفع الليزر بين نظام مشط التردد الخاص به والنظام الذي يجب أن يعمل فيه ليزر الموجة المستمرة الذي يصدر الإشعاع بشكل مستمر.

ولكن في نظام "الموجة المستمرة"، يحدث شيء أكثر غرابة. في بعض الأحيان عندما يتم تشغيل الليزر فإنه يتصرف ببساطة مثل ليزر الموجة المستمرة، ولكن إيقاف تشغيل الليزر وتشغيله قد يتسبب في ظهور واحد أو أكثر من وحدات سوليتون داكنة بشكل عشوائي.

Solitons عبارة عن حزم موجية غير خطية وغير مشتتة وذاتية التعزيز من الإشعاع يمكنها الانتشار عبر الفضاء إلى أجل غير مسمى وتمر عبر بعضها البعض بشكل فعال دون تغيير. وقد تمت ملاحظتها لأول مرة في عام 1834 في موجات الماء، ولكن تم رؤيتها لاحقًا في العديد من الأنظمة الفيزيائية الأخرى بما في ذلك البصريات.

Solitons في فجوات صغيرة

والأمر المثير للدهشة في هذه الملاحظة الأخيرة هو أن السوليتونات تظهر على شكل فجوات صغيرة في ضوء الليزر المستمر. يُحدث هذا التغيير البسيط على ما يبدو في انبعاث الليزر تغييرًا هائلاً في طيف تردده.

يوضح بيكاردو: "عندما تتحدث عن ليزر موجي مستمر، فهذا يعني أنه في المجال الطيفي لديك ذروة واحدة أحادية اللون". "هذا الانخفاض يعني العالم كله... هاتان الصورتان مرتبطتان بمبدأ عدم اليقين، لذلك عندما يكون لديك شيء ضيق جدًا جدًا في المكان أو الزمان، فهذا يعني أنه في المجال الطيفي لديك العديد والعديد من الأوضاع، ولديك العديد، العديد من الأوضاع تعني أنه يمكنك إجراء التحليل الطيفي والنظر إلى الجزيئات التي تنبعث عبر نطاق طيفي كبير جدًا.

لقد تم أحيانًا رؤية السوليتونات الداكنة من قبل، ولكن لم يتم رؤيتها أبدًا في ليزر صغير محقون كهربائيًا مثل هذا. يقول بيكاردو أنه من الناحية الطيفية، فإن السوليتون الداكن مفيد مثل السوليتون الساطع. ومع ذلك، فإن بعض التطبيقات، مثل التحليل الطيفي بمسبار المضخة، تتطلب نبضات ساطعة. ستكون التقنيات اللازمة لإنتاج أحجار منفردة ساطعة من تلك الداكنة موضوعًا لمزيد من العمل. يدرس الباحثون أيضًا كيفية إنتاج السوليتونات بشكل حتمي.

الميزة الحاسمة لتصميم المشط هذا من أجل التكامل هي أنه بما أن الضوء يدور في اتجاه واحد فقط في الدليل الموجي الحلقي، يعتقد الباحثون أن الليزر محصن بطبيعته ضد ردود الفعل التي يمكن أن تعطل العديد من أجهزة الليزر الأخرى. وبالتالي، لن يتطلب الأمر عوازل مغناطيسية، والتي غالبًا ما يكون من المستحيل دمجها في رقائق السيليكون على نطاق تجاري.

مع أخذ التكامل في الاعتبار، يريد الباحثون توسيع هذه التقنية إلى ما هو أبعد من الليزر الكمي المتتالي. يقول بيكاردو: "على الرغم من كون الشريحة مدمجة جدًا، إلا أن الليزر الكمي المتتالي يتطلب عادةً جهدًا كهربائيًا عاليًا للعمل، لذا فهو ليس حقًا طريقة لوضع الإلكترونيات على الشريحة". "إذا كان هذا يمكن أن يعمل في أجهزة ليزر أخرى مثل الليزر المتتالي بين النطاقات، فيمكننا تصغير الأمر برمته ويمكن تشغيله بالبطارية حقًا."

فيزيائي ليزر بيتر دلفيت من جامعة سنترال فلوريدا في أورلاندو يعتقد أن هذا العمل يبشر بالخير للعمل في المستقبل. ويقول: "هذه النبضة المظلمة في مجال التردد هي عبارة عن بنك من الألوان، وعلى الرغم من أن نقائها الطيفي جيد جدًا، إلا أنه لم يتم تحديد موقعها الدقيق بعد". "ومع ذلك، فإن حقيقة قدرتهم على القيام بذلك - صنع سوليتون على شريحة باستخدام جهاز يتم ضخه كهربائيًا - يعد في الواقع تقدمًا مهمًا للغاية. بدون أدنى شك."

تم وصف البحث في الطبيعة.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/dark-solitons-spotted-in-ring-semiconductor-lasers/