סוליטונים כהים שנצפו בלייזרים מוליכים למחצה טבעת - עולם הפיזיקה

סוליטונים כהים - אזורים של הכחדה אופטית על רקע בהיר - נראו נוצרים באופן ספונטני בלייזרים מוליכים למחצה טבעת. התצפית, שנעשתה על ידי צוות בינלאומי של חוקרים, עשויה להוביל לשיפורים בספקטרוסקופיה מולקולרית ובאופטו-אלקטרוניקה משולבת.

מסרקות תדרים - לייזרים פולסים המוציאים אור בתדרים מרווחים זהים - הם אחד ההישגים החשובים ביותר בהיסטוריה של פיזיקת הלייזר. לפעמים מכונים סרגלים אופטיים, הם הבסיס לתקני זמן ותדר ומשמשים להגדרת גדלים בסיסיים רבים במדע. עם זאת, לייזרים מסרקי תדר מסורתיים הם מגושמים, מורכבים ויקרים ומומחי לייזר מעוניינים לפתח גרסאות פשוטות יותר שניתן לשלב בשבבים.

תוך כדי ניסיון אחד כזה בשנת 2020, חוקרים ב פדריקו קפאסוהקבוצה של אוניברסיטת הרווארד גילתה בטעות כי לאחר שנכנסה תחילה למשטר סוער ביותר, לייזר טבעת מפל קוונטי התיישב למסרק תדר יציב - אם כי אחד עם תשע שיניים בלבד - באזור "טביעת אצבע" אינפרא אדום בינוני בשימוש נרחב ספקטרוסקופיה מולקולרית.

ללייזר טבעת יש חלל אופטי שבו האור מונחה סביב לולאה סגורה ולייזר מפל קוונטי הוא מכשיר מוליכים למחצה הפולט קרינת אינפרא אדומה.

תוצאות לא צפויות

"כל התוצאות המעניינות הללו יצאו ממכשיר בקרה - לא ציפינו שזה יקרה", אומר הרווארד מרקו פיקרדו. לאחר חודשים של גירוד בראש, החוקרים גילו שניתן להבין את ההשפעה במונחים של חוסר יציבות במשוואת הדיפרנציאל הלא-לינארית המתארת ​​את המערכת - משוואת גינזברג-לנדאו המורכבת.

בעבודה החדשה, קפאסו ועמיתיו חברו לחוקרים בתחום בנדיקט שוורץהקבוצה של אוניברסיטת וינה לטכנולוגיה. הצוות האוסטרי פיתח מספר עיצובים למסרקות תדר המבוססות על לייזר מפל קוונטים. החוקרים שילבו מצמד מוליך גלים באותו שבב. זה מקל בהרבה על חילוץ האור ומשיג כוח פלט גדול יותר. זה גם מאפשר למדענים לכוון את הפסדי הצימוד, דחיפה של הלייזר בין משטר מסרק התדרים שלו לבין המשטר שבו הוא אמור לפעול כלייזר גל מתמשך שמוציא קרינה ברציפות.

במשטר "הגל המתמשך", לעומת זאת, קורה משהו מוזר עוד יותר. לפעמים, כאשר הלייזר מופעל, הוא מתנהג פשוט כלייזר עם גלים רציפים, אך הפעלת הלייזר לכיבוי והדלקה עלולה לגרום להופעת סוליטון כהה אחד או יותר באופן אקראי.

סוליטונים הם חבילות גלים לא ליניאריות, לא מתפזרות, מחזקות את עצמן, של קרינה שיכולות להתפשט בחלל ללא הגבלת זמן ולעבור אחת דרך השנייה ללא שינוי. הם נצפו לראשונה בשנת 1834 בגלי מים אך נראו לאחר מכן במספר רב של מערכות פיזיקליות אחרות כולל אופטיקה.

סוליטונים במרווחים זעירים

הדבר המפתיע בתצפית האחרונה הזו הוא שהסוליטונים מופיעים כפערים זעירים באור הלייזר המתמשך. השינוי הקטן הזה לכאורה בפליטת הלייזר גורם לשינוי אדיר בספקטרום התדרים שלו.

"כשמדברים על לייזר גל מתמשך, זה אומר שבתחום הספקטרלי יש לך שיא מונוכרומטי בודד", מסביר פיקרדו. "הצניחה הזו פירושה כל העולם... שתי התמונות האלה קשורות בעקרון אי הוודאות, אז כשיש לך משהו מאוד מאוד צר במרחב או בזמן, זה אומר שבתחום הספקטרלי יש לך הרבה מאוד מצבים, ויש לך הרבה, מצבים רבים פירושם שאתה יכול לעשות ספקטרוסקופיה ולהסתכל על מולקולות שפולטות בטווח ספקטרלי גדול מאוד."

סוליטונים כהים נראו מדי פעם בעבר, אבל אף פעם לא בלייזר קטן ומוזרק חשמלי כזה. פיקרדו אומר שמבחינה ספקטרלית, סוליטון כהה שימושי כמו בהיר. עם זאת, יישומים מסוימים כגון ספקטרוסקופיה של משאבת בדיקה דורשים פולסים בהירים. הטכניקות הדרושות לייצור סוליטונים בהירים מאלה כהים יהיו נושא לעבודה נוספת. החוקרים גם חוקרים כיצד לייצר סוליטון באופן דטרמיניסטי.

יתרון מכריע של עיצוב המסרק הזה לאינטגרציה הוא שכאשר האור מסתובב רק בכיוון אחד במוליך הגל הטבעתי, החוקרים מאמינים שהלייזר חסין מטבעו למשוב שעלול לשבש לייזרים רבים אחרים. לכן זה לא ידרוש מבודדים מגנטיים, שלעתים קרובות בלתי אפשרי לשלב אותם בשבבי סיליקון בקנה מידה מסחרי.

מתוך מחשבה על אינטגרציה, החוקרים רוצים להרחיב את הטכניקה מעבר ללייזרי מפל קוונטיים. "למרות שהשבב הוא ממש קומפקטי, לייזר מפל קוונטי בדרך כלל דורש מתח גבוה כדי לפעול, כך שהם לא באמת דרך לשים את האלקטרוניקה על השבב", אומר פיקרדו. "אם זה יכול לעבוד בלייזרים אחרים כמו לייזרים מדורגים בין פסים, אז נוכל למזער את כל העניין וזה באמת יכול להיות מופעל באמצעות סוללה."

פיזיקאי לייזר פיטר דלפייט מאוניברסיטת מרכז פלורידה באורלנדו מאמינה שהעבודה טומנת בחובה הבטחה לעבודה עתידית. "הפעימה הכהה הזו בתחום התדרים היא בנק של צבעים, ולמרות שהטוהר הספקטרלי שלהם די טוב, המיקום המדויק שלהם לא הושג - עדיין", הוא אומר. "עם זאת, העובדה שהם יכולים לעשות זאת - לייצר סוליטון על שבב עם מכשיר שאוב חשמלי - זו למעשה התקדמות משמעותית ביותר. בלי ספק."

המחקר מתואר ב טבע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/dark-solitons-spotted-in-ring-semiconductor-lasers/