سالیتون های تاریک در لیزرهای نیمه هادی حلقه ای - دنیای فیزیک

سالیتون‌های تاریک - مناطق انقراض نوری در برابر پس‌زمینه‌های روشن - به‌طور خودبه‌خود در لیزرهای نیمه‌رسانای حلقه‌ای دیده شده‌اند. این مشاهدات که توسط یک تیم بین المللی از محققان ساخته شده است، می تواند منجر به بهبود در طیف سنجی مولکولی و اپتوالکترونیک یکپارچه شود.

شانه‌های فرکانس - لیزرهای پالسی که نور را با فرکانس‌هایی با فاصله یکسان تولید می‌کنند - یکی از مهم‌ترین دستاوردها در تاریخ فیزیک لیزر است. گاهی اوقات به عنوان خط کش نوری از آنها یاد می شود، آنها اساس استانداردهای زمان و فرکانس هستند و برای تعریف بسیاری از کمیت های اساسی در علم استفاده می شوند. با این حال، لیزرهای شانه فرکانس سنتی حجیم، پیچیده و گران هستند و کارشناسان لیزر مشتاق توسعه نسخه‌های ساده‌تر هستند که می‌توانند در تراشه‌ها ادغام شوند.

در حالی که در سال 2020 یکی از این تلاش ها را انجام می دهند، محققان در فدریکو کاپاسوگروه دانشگاه هاروارد به طور تصادفی کشف کردند که، پس از ورود به یک رژیم بسیار آشفته، یک لیزر حلقه آبشاری کوانتومی به یک شانه فرکانس پایدار - البته یکی با تنها 9 دندان - در ناحیه "اثر انگشت" مادون قرمز میانی که به طور گسترده در طیف سنجی مولکولی

لیزر حلقه ای دارای یک حفره نوری است که در آن نور به اطراف یک حلقه بسته هدایت می شود و لیزر آبشاری کوانتومی یک دستگاه نیمه هادی است که تابش مادون قرمز ساطع می کند.

نتایج غیر منتظره

دانشگاه هاروارد می گوید: «همه آن نتایج جالب از یک دستگاه کنترل به دست آمد - ما انتظار نداشتیم این اتفاق بیفتد. مارکو پیکاردو. پس از ماه‌ها سرکشی، محققان دریافتند که این اثر را می‌توان بر حسب ناپایداری در معادله دیفرانسیل غیرخطی که سیستم را توصیف می‌کند - معادله پیچیده Ginzberg-Landau درک کرد.

در کار جدید، کاپاسو و همکارانش با محققانی در این زمینه همکاری کردند بندیکت شوارتزگروه در دانشگاه صنعتی وین. تیم اتریشی چندین طرح برای شانه های فرکانس بر اساس لیزرهای آبشاری کوانتومی ایجاد کرده بود. محققان یک جفت کننده موجبر را در همان تراشه ادغام کردند. این امر استخراج نور را بسیار ساده تر می کند و قدرت خروجی بیشتری را به دست می آورد. همچنین به دانشمندان این امکان را می دهد که تلفات جفت را تنظیم کنند و لیزر را بین رژیم شانه فرکانسی و رژیمی که باید به عنوان لیزر موج پیوسته که به طور پیوسته تابش خروجی می کند کار کند، هدایت می کند.

اما در رژیم «موج پیوسته» اتفاق عجیب‌تری می‌افتد. گاهی اوقات وقتی لیزر روشن می شود، به سادگی مانند یک لیزر موج پیوسته رفتار می کند، اما خاموش و روشن کردن لیزر ممکن است باعث شود یک یا چند سالیتون تاریک به طور تصادفی ظاهر شود.

سالیتون‌ها بسته‌های موجی غیرخطی، غیر پراکنده و خود تقویت‌کننده تابش هستند که می‌توانند به طور نامحدود در فضا منتشر شوند و به طور مؤثر بدون تغییر از یکدیگر عبور کنند. آنها برای اولین بار در سال 1834 در امواج آب مشاهده شدند اما متعاقباً در بسیاری از سیستم های فیزیکی دیگر از جمله اپتیک دیده شدند.

سالیتون ها در شکاف های کوچک

نکته شگفت‌انگیز در مورد این آخرین مشاهدات این است که سالیتون‌ها به صورت شکاف‌های کوچک در نور لیزر پیوسته ظاهر می‌شوند. این تغییر ظاهراً کوچک در انتشار لیزر، تغییری عظیم در طیف فرکانس آن ایجاد می‌کند.

پیکاردو توضیح می‌دهد: «وقتی در مورد لیزر موج پیوسته صحبت می‌کنید، به این معنی است که در حوزه طیفی یک قله تک رنگ دارید. این شیب به معنای کل جهان است... این دو تصویر با اصل عدم قطعیت به هم مرتبط هستند، بنابراین وقتی چیزی بسیار بسیار باریک در مکان یا زمان دارید، به این معنی است که در حوزه طیفی حالت‌های بسیار بسیار زیادی دارید، بسیاری از حالت‌ها به این معنی است که می‌توانید طیف‌سنجی انجام دهید و به مولکول‌هایی که در یک محدوده طیفی بسیار بسیار بزرگ ساطع می‌کنند نگاه کنید.»

سالیتون‌های تیره قبلاً گاهی دیده شده‌اند، اما هرگز در لیزرهای کوچک تزریق‌شده الکتریکی مانند این دیده نشده‌اند. پیکاردو می گوید که از نظر طیفی، یک سالیتون تاریک به اندازه یک سولتون روشن مفید است. با این حال، برخی از کاربردها مانند طیف‌سنجی پمپ-کاوشگر به پالس‌های روشن نیاز دارند. تکنیک های مورد نیاز برای تولید سالیتون های روشن از نمونه های تاریک موضوع کار بعدی خواهد بود. محققان همچنین در حال مطالعه چگونگی تولید سالیتون ها به صورت قطعی هستند.

یک مزیت حیاتی این طراحی شانه برای یکپارچگی این است که، از آنجایی که نور تنها در یک جهت در موجبر حلقه ای گردش می کند، محققان بر این باورند که لیزر ذاتاً در برابر بازخوردی که می تواند بسیاری از لیزرهای دیگر را مختل کند، مصون است. بنابراین نیازی به جداسازهای مغناطیسی ندارد، که غالباً ادغام آنها در تراشه های سیلیکونی در مقیاس تجاری غیرممکن است.

با در نظر گرفتن ادغام، محققان می خواهند این تکنیک را فراتر از لیزرهای آبشاری کوانتومی گسترش دهند. پیکاردو می‌گوید: «علی‌رغم اینکه تراشه واقعا فشرده است، لیزرهای آبشاری کوانتومی معمولاً برای کار کردن به ولتاژ بالا نیاز دارند، بنابراین آنها واقعاً راهی برای قرار دادن وسایل الکترونیکی روی تراشه نیستند. "اگر این می تواند در لیزرهای دیگر مانند لیزرهای آبشاری بین باند کار کند، می توانیم کل چیز را کوچک کنیم و واقعاً می تواند با باتری کار کند."

فیزیکدان لیزر پیتر دلفیت از دانشگاه مرکزی فلوریدا در اورلاندو معتقد است این کار نویدبخش کارهای آینده است. او می‌گوید: «این پالس تاریک در حوزه فرکانس، مجموعه‌ای از رنگ‌ها است و در حالی که خلوص طیفی آن‌ها کاملاً خوب است، موقعیت دقیق آن‌ها هنوز به دست نیامده است». با این حال، این واقعیت که آنها می توانند این کار را انجام دهند - ساختن سالیتون روی تراشه با یک دستگاه پمپاژ الکتریکی - در واقع یک پیشرفت بسیار مهم است. بدون شک."

تحقیق در شرح داده شده است طبیعت.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/dark-solitons-spotted-in-ring-semiconductor-lasers/