Soloni întunecați reperați în laserele semiconductoare inelare – Physics World

Solonii întunecați – regiuni de extincție optică pe fundaluri strălucitoare – au fost observați formându-se spontan în laserele cu semiconductor inel. Realizată de o echipă internațională de cercetători, observația ar putea duce la îmbunătățiri în spectroscopia moleculară și optoelectronica integrată.

Pieptenii de frecvență – lasere cu impulsuri care scot lumină cu frecvențe egale – sunt una dintre cele mai importante realizări din istoria fizicii laserului. Denumite uneori rigle optice, ele stau la baza standardelor de timp și frecvență și sunt folosite pentru a defini multe cantități fundamentale în știință. Cu toate acestea, laserele tradiționale cu pieptene de frecvență sunt voluminoase, complexe și costisitoare, iar experții în laser sunt dornici să dezvolte versiuni mai simple care pot fi integrate în cipuri.

În timp ce întreprind o astfel de încercare în 2020, cercetătorii în Federico Capassogrupul lui de la Universitatea Harvard a descoperit accidental că, după ce inițial a intrat într-un regim extrem de turbulent, un laser cu inel cu cascadă cuantică s-a instalat într-un pieptene de frecvență stabil – deși unul cu doar nouă dinți – în regiunea „amprentei digitale” în infraroșu mijlociu, utilizată pe scară largă în spectroscopie moleculară.

Un laser inel are o cavitate optică în care lumina este ghidată în jurul unei bucle închise, iar un laser cuantic în cascadă este un dispozitiv semiconductor care emite radiații infraroșii.

Rezultate neașteptate

„Toate acele rezultate interesante au apărut dintr-un dispozitiv de control – nu ne așteptam să se întâmple asta”, spune Harvard. Marco Piccardo. După luni de zgârieturi de cap, cercetătorii au descoperit că efectul poate fi înțeles în termeni de instabilitate în ecuația diferențială neliniară care descrie sistemul - ecuația complexă Ginzberg-Landau.

În noua lucrare, Capasso și colegii au făcut echipă cu cercetători Benedikt Schwarzgrupul lui de la Universitatea de Tehnologie din Viena. Echipa austriacă a dezvoltat mai multe modele pentru piepteni de frecvență bazate pe lasere cu cascadă cuantică. Cercetătorii au integrat un cuplaj de ghid de undă în același cip. Acest lucru facilitează extragerea luminii și obține o putere de ieșire mai mare. De asemenea, permite oamenilor de știință să regleze pierderile de cuplare, împingând laserul între regimul său de frecvență-pieptene și regimul în care ar trebui să funcționeze ca un laser cu undă continuă care emite radiații continuu.

În regimul „val continuu” se întâmplă însă ceva și mai ciudat. Uneori, atunci când laserul este pornit, acesta se comportă pur și simplu ca un laser cu undă continuă, dar oprirea și pornirea laserului poate face ca unul sau mai mulți solini întunecați să apară aleatoriu.

Solitonii sunt pachete de radiații neliniare, nedispersive, cu auto-întărire, care se pot propaga prin spațiu la nesfârșit și se pot trece unul prin altul efectiv neschimbat. Ele au fost observate pentru prima dată în 1834 în valuri de apă, dar au fost observate ulterior în numeroase alte sisteme fizice, inclusiv în optică.

Solitoni în goluri minuscule

Lucrul surprinzător la această ultimă observație este că solitonii apar ca mici goluri în lumina laser continuă. Această schimbare aparent mică în emisia laser aduce o schimbare extraordinară a spectrului său de frecvență.

„Când vorbiți despre un laser cu undă continuă, înseamnă că în domeniul spectral aveți un singur vârf monocromatic”, explică Piccardo. „Această scădere înseamnă întreaga lume... Aceste două imagini sunt legate de principiul incertitudinii, așa că atunci când ai ceva foarte, foarte îngust în spațiu sau timp, asta înseamnă că în domeniul spectral ai multe, multe moduri și având multe, multe moduri înseamnă că poți să faci spectroscopie și să te uiți la molecule care emit într-un interval spectral foarte, foarte mare.”

solitoni întunecați au mai fost observați ocazional, dar niciodată într-un laser mic, injectat electric, ca acesta. Piccardo spune că spectral vorbind, un soliton întunecat este la fel de util ca unul luminos. Cu toate acestea, unele aplicații, cum ar fi spectroscopia pompă-sondă, necesită impulsuri strălucitoare. Tehnicile necesare pentru a produce solitoni strălucitori din cei întunecați vor face obiectul unor lucrări ulterioare. Cercetătorii studiază, de asemenea, cum să producă solitoni în mod determinist.

Un avantaj crucial al acestui design pieptene pentru integrare este că, deoarece lumina circulă într-o singură direcție în ghidul de undă inel, cercetătorii cred că laserul este în mod inerent imun la feedback-ul care poate perturba multe alte lasere. Prin urmare, nu ar necesita izolatori magnetici, care sunt adesea imposibil de integrat în cipurile de siliciu la scară comercială.

Având în vedere integrarea, cercetătorii doresc să extindă tehnica dincolo de laserele cu cascadă cuantică. „În ciuda faptului că cipul este cu adevărat compact, laserele cuantice în cascadă necesită de obicei tensiuni înalte pentru a funcționa, așa că nu sunt cu adevărat o modalitate de a pune electronicele pe cip”, spune Piccardo. „Dacă acest lucru ar putea funcționa în alte lasere, cum ar fi laserele în cascadă inter-bandă, atunci am putea miniaturiza întregul lucru și ar putea funcționa cu adevărat cu baterii.”

Fizicianul laserului Peter Delfyett de la Universitatea din Florida Centrală din Orlando consideră că lucrările sunt promițătoare pentru lucrări viitoare. „Acest puls întunecat în domeniul frecvenței este o bancă de culori și, în timp ce puritatea lor spectrală este destul de bună, poziționarea lor exactă nu a fost încă atinsă”, spune el. „Cu toate acestea, faptul că pot face acest lucru – să facă solitoni pe cip cu un dispozitiv pompat electric – este de fapt un progres extrem de semnificativ. Fara indoiala."

Cercetarea este descrisă în Natură.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/dark-solitons-spotted-in-ring-semiconductor-lasers/