Σκούρα σολίτονα που εντοπίστηκαν σε λέιζερ ημιαγωγών δακτυλίου - Physics World

Τα σκοτεινά σολίτονα - περιοχές οπτικής εξαφάνισης σε φωτεινά φόντο - έχουν παρατηρηθεί να σχηματίζονται αυθόρμητα σε λέιζερ ημιαγωγών δακτυλίου. Έγινε από μια διεθνή ομάδα ερευνητών, η παρατήρηση θα μπορούσε να οδηγήσει σε βελτιώσεις στη μοριακή φασματοσκοπία και την ολοκληρωμένη οπτοηλεκτρονική.

Οι χτένες συχνότητας – παλμικά λέιζερ που εξάγουν φως με ίσες συχνότητες – είναι ένα από τα πιο σημαντικά επιτεύγματα στην ιστορία της φυσικής λέιζερ. Μερικές φορές αναφέρονται ως οπτικοί χάρακες, αποτελούν τη βάση των προτύπων χρόνου και συχνότητας και χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό πολλών θεμελιωδών μεγεθών στην επιστήμη. Ωστόσο, τα παραδοσιακά λέιζερ με χτένα συχνότητας είναι ογκώδη, πολύπλοκα και ακριβά και οι ειδικοί στα λέιζερ επιθυμούν να αναπτύξουν απλούστερες εκδόσεις που μπορούν να ενσωματωθούν σε τσιπ.

Ενώ αναλάμβαναν μια τέτοια προσπάθεια το 2020, οι ερευνητές στο Φεντερίκο ΚαπάσοΗ ομάδα του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ ανακάλυψε τυχαία ότι, αφού εισήλθε αρχικά σε ένα εξαιρετικά ταραχώδες καθεστώς, ένα λέιζερ κβαντικού δακτυλίου καταρράκτη κατακάθισε σε μια σταθερή χτένα συχνότητας – αν και μια με μόνο εννέα δόντια – στην περιοχή «δαχτυλικού αποτυπώματος» μεσαίου υπέρυθρου που χρησιμοποιείται ευρέως σε μοριακή φασματοσκοπία.

Ένα λέιζερ δακτυλίου έχει μια οπτική κοιλότητα στην οποία το φως οδηγείται γύρω από έναν κλειστό βρόχο και ένα κβαντικό λέιζερ καταρράκτη είναι μια συσκευή ημιαγωγών που εκπέμπει υπέρυθρη ακτινοβολία.

Απροσδόκητα αποτελέσματα

"Όλα αυτά τα ενδιαφέροντα αποτελέσματα προέκυψαν από μια συσκευή ελέγχου - δεν περιμέναμε να συμβεί αυτό", λέει το Harvard's Μάρκο Πικάρντο. Έπειτα από μήνες ταλαιπωρίας, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι το αποτέλεσμα μπορεί να γίνει κατανοητό με όρους αστάθειας στη μη γραμμική διαφορική εξίσωση που περιγράφει το σύστημα - τη σύνθετη εξίσωση Ginzberg-Landau.

Στη νέα εργασία, ο Capasso και οι συνεργάτες του συνεργάστηκαν με ερευνητές Benedikt Schwarz's ομάδα στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης. Η αυστριακή ομάδα είχε αναπτύξει διάφορα σχέδια για χτένες συχνότητας βασισμένα σε κβαντικά λέιζερ καταρράκτη. Οι ερευνητές ενσωμάτωσαν έναν συζευκτήρα κυματοδηγού στο ίδιο τσιπ. Αυτό καθιστά πολύ πιο εύκολη την εξαγωγή φωτός και επιτυγχάνει μεγαλύτερη ισχύ εξόδου. Επιτρέπει επίσης στους επιστήμονες να συντονίσουν τις απώλειες σύζευξης, ωθώντας το λέιζερ μεταξύ του καθεστώτος χτένα συχνότητας και του καθεστώτος όπου θα έπρεπε να λειτουργεί ως λέιζερ συνεχούς κύματος που εκπέμπει ακτινοβολία συνεχώς.

Στο καθεστώς του «συνεχούς κύματος» όμως συμβαίνει κάτι ακόμα πιο περίεργο. Μερικές φορές, όταν το λέιζερ είναι ενεργοποιημένο, συμπεριφέρεται απλώς ως λέιζερ συνεχούς κύματος, αλλά η απενεργοποίηση και ενεργοποίηση του λέιζερ μπορεί να προκαλέσει τυχαία εμφάνιση ενός ή περισσότερων σκούρων σολίτονων.

Τα σολίτονα είναι μη γραμμικά, μη διασπορά, αυτοενισχυόμενα πακέτα κυμάτων ακτινοβολίας που μπορούν να διαδοθούν στο διάστημα επ' αόριστον και να περάσουν το ένα από το άλλο ουσιαστικά αμετάβλητο. Παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά το 1834 σε κύματα νερού, αλλά στη συνέχεια εμφανίστηκαν σε πολλά άλλα φυσικά συστήματα, συμπεριλαμβανομένων των οπτικών.

Σολιτόνια σε μικροσκοπικά κενά

Το εκπληκτικό με αυτή την τελευταία παρατήρηση είναι ότι τα σολίτονα εμφανίζονται ως μικροσκοπικά κενά στο συνεχές φως λέιζερ. Αυτή η φαινομενικά μικρή αλλαγή στην εκπομπή λέιζερ κάνει μια τεράστια αλλαγή στο φάσμα συχνοτήτων του.

«Όταν μιλάτε για ένα λέιζερ συνεχούς κύματος, σημαίνει ότι στον φασματικό τομέα έχετε μια μοναδική μονοχρωματική κορυφή», εξηγεί ο Piccardo. «Αυτή η βουτιά σημαίνει ολόκληρο τον κόσμο… Αυτές οι δύο εικόνες σχετίζονται με την αρχή της αβεβαιότητας, οπότε όταν έχετε κάτι πολύ, πολύ στενό στο χώρο ή στο χρόνο, αυτό σημαίνει ότι στον φασματικό τομέα έχετε πολλούς, πολλούς τρόπους, και έχοντας πολλά, Πολλοί τρόποι λειτουργίας σημαίνει ότι μπορείτε να κάνετε φασματοσκοπία και να κοιτάξετε μόρια που εκπέμπουν σε ένα πολύ, πολύ μεγάλο φασματικό εύρος».

Σκούρα σολίτονα έχουν παρατηρηθεί κατά καιρούς στο παρελθόν, αλλά ποτέ σε ένα μικρό λέιζερ με ηλεκτρική έγχυση όπως αυτό. Ο Piccardo λέει ότι φασματικά, ένα σκοτεινό σολιτόνιο είναι εξίσου χρήσιμο με ένα φωτεινό. Ωστόσο, ορισμένες εφαρμογές όπως η φασματοσκοπία αντλίας-ανιχνευτή απαιτούν φωτεινούς παλμούς. Οι τεχνικές που απαιτούνται για την παραγωγή φωτεινών σολιτόνων από σκούρες θα αποτελέσουν αντικείμενο περαιτέρω εργασίας. Οι ερευνητές μελετούν επίσης πώς να παράγουν σολιτόνια ντετερμινιστικά.

Ένα κρίσιμο πλεονέκτημα αυτού του σχεδιασμού χτένας για ενσωμάτωση είναι ότι, καθώς το φως κυκλοφορεί μόνο προς μία κατεύθυνση στον κυματοδηγό του δακτυλίου, οι ερευνητές πιστεύουν ότι το λέιζερ είναι εγγενώς απρόσβλητο στην ανάδραση που μπορεί να διαταράξει πολλά άλλα λέιζερ. Επομένως, δεν θα απαιτούσε μαγνητικούς απομονωτές, οι οποίοι είναι συχνά αδύνατο να ενσωματωθούν σε τσιπ πυριτίου σε εμπορική κλίμακα.

Έχοντας κατά νου την ολοκλήρωση, οι ερευνητές θέλουν να επεκτείνουν την τεχνική πέρα ​​από τα κβαντικά λέιζερ καταρράκτη. "Παρά το γεγονός ότι το τσιπ είναι πολύ συμπαγές, τα κβαντικά λέιζερ καταρράκτη απαιτούν συνήθως υψηλές τάσεις για να λειτουργήσουν, επομένως δεν είναι πραγματικά ένας τρόπος να τοποθετήσετε τα ηλεκτρονικά στο τσιπ", λέει ο Piccardo. «Αν αυτό θα μπορούσε να λειτουργήσει σε άλλα λέιζερ, όπως τα λέιζερ διαζωνικής καταρράκτη, τότε θα μπορούσαμε να μικρογραφήσουμε το όλο θέμα και θα μπορούσε πραγματικά να λειτουργεί με μπαταρία».

Φυσικός λέιζερ Peter Delfyett του Πανεπιστημίου της Κεντρικής Φλόριντα στο Ορλάντο πιστεύει ότι το έργο υπόσχεται μελλοντικές εργασίες. "Αυτός ο σκοτεινός παλμός στον τομέα της συχνότητας είναι μια ομάδα χρωμάτων και, ενώ η φασματική τους καθαρότητα είναι αρκετά καλή, η ακριβής τοποθέτησή τους δεν έχει επιτευχθεί - ακόμα", λέει. «Ωστόσο, το γεγονός ότι μπορούν να το κάνουν αυτό – να φτιάχνουν σολιτόνια σε τσιπ με ηλεκτρική αντλούμενη συσκευή – είναι στην πραγματικότητα μια εξαιρετικά σημαντική πρόοδος. Χωρίς αμφιβολία."

Η έρευνα περιγράφεται στο Φύση.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/dark-solitons-spotted-in-ring-semiconductor-lasers/