Solitoni oscuri avvistati nei laser a semiconduttore ad anello – Physics World

I solitoni oscuri – regioni di estinzione ottica su sfondi luminosi – sono stati osservati formarsi spontaneamente nei laser a semiconduttore ad anello. Realizzata da un team internazionale di ricercatori, l'osservazione potrebbe portare a miglioramenti nella spettroscopia molecolare e nell'optoelettronica integrata.

I pettini di frequenza – laser pulsati che emettono luce con frequenze equispaziate – sono uno dei risultati più importanti nella storia della fisica laser. A volte definiti righelli ottici, costituiscono la base degli standard di tempo e frequenza e vengono utilizzati per definire molte quantità fondamentali nella scienza. Tuttavia, i tradizionali laser a pettine di frequenza sono ingombranti, complessi e costosi e gli esperti di laser sono desiderosi di sviluppare versioni più semplici che possano essere integrate nei chip.

Durante uno di questi tentativi nel 2020, i ricercatori di Federico CapossoIl gruppo di All'Università di Harvard ha scoperto casualmente che, dopo essere inizialmente entrato in un regime altamente turbolento, un laser ad anello a cascata quantistica si è stabilizzato su un pettine di frequenza stabile - sebbene con solo nove denti - nella regione dell'"impronta digitale" del medio infrarosso ampiamente utilizzata in spettroscopia molecolare.

Un laser ad anello ha una cavità ottica in cui la luce è guidata attorno a un circuito chiuso, mentre un laser a cascata quantistica è un dispositivo a semiconduttore che emette radiazione infrarossa.

Risultati inattesi

"Tutti questi risultati interessanti sono emersi da un dispositivo di controllo: non ci aspettavamo che ciò accadesse", afferma Harvard Marco Piccardo. Dopo mesi di grattacapi, i ricercatori hanno capito che l’effetto può essere compreso in termini di instabilità nell’equazione differenziale non lineare che descrive il sistema – la complessa equazione di Ginzberg-Landau.

Nel nuovo lavoro, Capasso e colleghi hanno collaborato con i ricercatori Benedikt Schwarzdel gruppo presso l'Università della Tecnologia di Vienna. Il team austriaco aveva sviluppato diversi progetti per pettini di frequenza basati su laser a cascata quantistica. I ricercatori hanno integrato un accoppiatore di guida d'onda nello stesso chip. Ciò rende molto più semplice estrarre la luce e ottenere una maggiore potenza di uscita. Consente inoltre agli scienziati di regolare le perdite di accoppiamento, spostando il laser tra il suo regime di pettine di frequenza e il regime in cui dovrebbe funzionare come un laser a onda continua che emette radiazioni in modo continuo.

Nel regime di “onda continua”, però, accade qualcosa di ancora più strano. A volte, quando il laser è acceso, si comporta semplicemente come un laser a onda continua, ma accendendo e spegnendo il laser si possono far apparire casualmente uno o più solitoni scuri.

I solitoni sono pacchetti d'onda di radiazione non lineari, non dispersivi e autorinforzanti che possono propagarsi nello spazio indefinitamente e attraversarsi l'uno attraverso l'altro senza modifiche. Furono osservati per la prima volta nel 1834 nelle onde dell'acqua, ma successivamente sono stati osservati in numerosi altri sistemi fisici, inclusa l'ottica.

Solitoni in piccoli spazi vuoti

La cosa sorprendente di quest’ultima osservazione è che i solitoni appaiono come minuscoli spazi nella luce laser continua. Questo cambiamento apparentemente piccolo nell'emissione laser comporta un enorme cambiamento nel suo spettro di frequenza.

“Quando si parla di laser ad onda continua significa che nel dominio spettrale si ha un unico picco monocromatico”, spiega Piccardo. "Questo calo significa il mondo intero... Queste due immagini sono legate dal principio di indeterminazione, quindi quando hai qualcosa di molto, molto ristretto nello spazio o nel tempo, ciò significa che nel dominio spettrale hai molti, molti modi, e avendo molti, molte modalità significano che puoi eseguire la spettroscopia e osservare le molecole che emettono su un intervallo spettrale molto, molto ampio”.

Occasionalmente sono stati visti solitoni oscuri prima, ma mai in un piccolo laser a iniezione elettrica come questo. Piccardo dice che, dal punto di vista spettrale, un solitone oscuro è utile quanto uno luminoso. Tuttavia, alcune applicazioni come la spettroscopia con sonda a pompa richiedono impulsi luminosi. Le tecniche necessarie per produrre solitoni luminosi da quelli oscuri saranno oggetto di ulteriori lavori. I ricercatori stanno anche studiando come produrre solitoni in modo deterministico.

Un vantaggio cruciale di questo design a pettine per l’integrazione è che, poiché la luce circola in una sola direzione nella guida d’onda ad anello, i ricercatori ritengono che il laser sia intrinsecamente immune al feedback che può disturbare molti altri laser. Non richiederebbe quindi isolatori magnetici, che spesso sono impossibili da integrare nei chip di silicio su scala commerciale.

Tenendo presente l’integrazione, i ricercatori vogliono estendere la tecnica oltre i laser a cascata quantistica. "Nonostante il chip sia davvero compatto, i laser a cascata quantistica richiedono in genere tensioni elevate per funzionare, quindi non sono realmente un modo per inserire l'elettronica nel chip", afferma Piccardo. “Se questo potesse funzionare in altri laser come i laser a cascata interbanda, allora potremmo miniaturizzare il tutto e potrebbe davvero funzionare a batteria”.

fisico laser Peter Delfyett dell’Università della Florida Centrale a Orlando ritiene che il lavoro sia promettente per lavori futuri. "Questo impulso oscuro nel dominio della frequenza è un banco di colori e, sebbene la loro purezza spettrale sia abbastanza buona, il loro esatto posizionamento non è stato ancora raggiunto", afferma. “Tuttavia, il fatto che possano farlo – creare solitoni su chip con un dispositivo pompato elettricamente – rappresenta in realtà un progresso estremamente significativo. Senza dubbio."

La ricerca è descritta in Natura.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/dark-solitons-spotted-in-ring-semiconductor-lasers/