โซลิตอนมืดที่พบในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์วงแหวน - โลกฟิสิกส์

โซลิตอนมืดที่พบในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์วงแหวน - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 31 มกราคม 2024 8:01 น
โหนดต้นทาง: 3091165


ภาพสต็อกแสดงแสงที่ความถี่ต่างๆ
ความมืดและแสงสว่าง: โซลิตอนสีเข้มถูกสร้างขึ้นในเลเซอร์ที่ฉีดด้วยไฟฟ้า (เอื้อเฟื้อโดย: iStock/agsandrew)

โซลิตอนสีเข้ม - บริเวณของการสูญพันธุ์ทางสายตากับพื้นหลังที่สว่าง - ได้รับการเห็นก่อตัวขึ้นเองในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบวงแหวน การสังเกตการณ์นี้จัดทำโดยทีมนักวิจัยนานาชาติ การสังเกตการณ์อาจนำไปสู่การปรับปรุงสเปกโทรสโกปีระดับโมเลกุลและออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบบูรณาการ

หวีความถี่ – เลเซอร์พัลซิ่งที่ให้แสงที่มีระยะห่างเท่ากัน – เป็นหนึ่งในความสำเร็จที่สำคัญที่สุดในประวัติศาสตร์ของฟิสิกส์เลเซอร์ บางครั้งเรียกว่าไม้บรรทัดเชิงแสง ซึ่งเป็นพื้นฐานของมาตรฐานเวลาและความถี่ และใช้เพื่อกำหนดปริมาณพื้นฐานหลายประการในทางวิทยาศาสตร์ อย่างไรก็ตาม เลเซอร์หวีความถี่แบบดั้งเดิมมีขนาดใหญ่ ซับซ้อน และมีราคาแพง และผู้เชี่ยวชาญด้านเลเซอร์ก็กระตือรือร้นที่จะพัฒนาเวอร์ชันที่เรียบง่ายกว่าซึ่งสามารถรวมเข้ากับชิปได้

ในขณะที่ดำเนินการดังกล่าวครั้งหนึ่งในปี 2020 นักวิจัยใน เฟเดริโก คาปาสโซ่กลุ่มของมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดค้นพบโดยบังเอิญว่า หลังจากเข้าสู่ระบอบการปกครองที่มีความวุ่นวายสูงในช่วงแรก เลเซอร์วงแหวนควอนตัมคาสเคดตกลงไปที่หวีความถี่ที่เสถียร แม้ว่าจะมีฟันเพียงเก้าซี่ก็ตาม ในบริเวณ “ลายนิ้วมือ” ของอินฟราเรดช่วงกลางที่ใช้กันอย่างแพร่หลายใน สเปกโทรสโกปีโมเลกุล

เลเซอร์วงแหวนมีช่องแสงซึ่งมีแสงนำทางไปรอบๆ วงปิด และเลเซอร์ควอนตัมคาสเคดเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ปล่อยรังสีอินฟราเรด

ผลลัพธ์ที่ไม่คาดคิด

“ผลลัพธ์ที่น่าสนใจทั้งหมดนั้นมาจากอุปกรณ์ควบคุม เราไม่ได้คาดหวังว่าสิ่งนี้จะเกิดขึ้น” มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดกล่าว มาร์โก ปิคคาร์โด้. หลังจากเกาหัวมาหลายเดือน นักวิจัยได้ค้นพบว่าผลกระทบสามารถเข้าใจได้ในแง่ของความไม่เสถียรในสมการเชิงอนุพันธ์แบบไม่เชิงเส้นที่อธิบายระบบ นั่นคือสมการ Ginzberg-Landau ที่ซับซ้อน

ในงานใหม่นี้ Capasso และเพื่อนร่วมงานได้ร่วมมือกับนักวิจัยใน เบเนดิกต์ ชวาร์ซของกลุ่มมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเวียนนา ทีมงานชาวออสเตรียได้พัฒนาการออกแบบหวีความถี่หลายแบบโดยใช้เลเซอร์ควอนตัมคาสเคด นักวิจัยได้รวมตัวเชื่อมต่อท่อนำคลื่นเข้ากับชิปตัวเดียวกัน ทำให้แยกแสงได้ง่ายขึ้นมากและได้รับกำลังขับที่มากขึ้น นอกจากนี้ยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ปรับแต่งการสูญเสียการเชื่อมต่อโดยดันเลเซอร์ระหว่างระบบหวีความถี่กับระบบที่ควรทำงานเป็นเลเซอร์คลื่นต่อเนื่องที่ปล่อยรังสีอย่างต่อเนื่อง

อย่างไรก็ตาม ในระบอบการปกครองแบบ "คลื่นต่อเนื่อง" มีบางสิ่งที่แปลกประหลาดเกิดขึ้น บางครั้งเมื่อเปิดเลเซอร์ มันก็ทำงานเหมือนกับเลเซอร์คลื่นต่อเนื่อง แต่การสะบัดเลเซอร์ออกแล้วเปิดใหม่อาจทำให้โซลิตอนสีเข้มปรากฏขึ้นแบบสุ่ม

โซลิตันเป็นแพ็กเก็ตคลื่นรังสีที่ไม่เป็นเชิงเส้น ไม่กระจายตัว และเสริมกำลังตัวเอง ซึ่งสามารถแพร่กระจายผ่านอวกาศได้อย่างไม่มีกำหนด และผ่านซึ่งกันและกันโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างมีประสิทธิภาพ พวกมันถูกพบครั้งแรกในปี พ.ศ. 1834 ในคลื่นน้ำ แต่ต่อมาถูกพบเห็นในระบบทางกายภาพอื่นๆ มากมาย รวมทั้งทัศนศาสตร์ด้วย

โซลิตันในช่องว่างเล็กๆ

สิ่งที่น่าประหลาดใจเกี่ยวกับการสังเกตครั้งล่าสุดนี้คือโซลิตอนปรากฏเป็นช่องว่างเล็กๆ ในแสงเลเซอร์ต่อเนื่อง การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในการแผ่รังสีเลเซอร์นี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมากต่อสเปกตรัมความถี่ของมัน

“เมื่อคุณพูดถึงเลเซอร์คลื่นต่อเนื่อง นั่นหมายความว่าในโดเมนสเปกตรัม คุณจะมีพีคสีเดียว” Piccardo อธิบาย “การจุ่มนี้หมายถึงโลกทั้งใบ…ภาพสองภาพนี้เชื่อมโยงกันด้วยหลักความไม่แน่นอน ดังนั้นเมื่อคุณมีบางสิ่งที่แคบมากในอวกาศหรือเวลา นั่นหมายความว่าในโดเมนสเปกตรัม คุณจะมีหลายโหมด และมีมากมาย โหมดหลายโหมดหมายความว่าคุณสามารถทำสเปกโทรสโกปีและดูโมเลกุลที่ปล่อยออกมาในช่วงสเปกตรัมที่กว้างมากได้”

โซลิตอนสีเข้มมักถูกพบเห็นมาก่อน แต่ไม่เคยพบเห็นในเลเซอร์ขนาดเล็กที่ฉีดด้วยไฟฟ้าเช่นนี้ พิคคาร์โดกล่าวว่าถ้าพูดตามสเปกตรัมแล้ว โซลิตันสีเข้มก็มีประโยชน์พอๆ กับโซลิตอนสว่าง อย่างไรก็ตาม การใช้งานบางอย่าง เช่น สเปกโทรสโกปีแบบหัววัดแบบปั๊ม-โพรบจำเป็นต้องใช้พัลส์ที่สว่าง เทคนิคที่จำเป็นในการผลิตโซลิตอนสว่างจากสีเข้มจะเป็นหัวข้อของการทำงานต่อไป นักวิจัยยังกำลังศึกษาวิธีการผลิตโซลิตอนตามที่กำหนด

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของการออกแบบหวีเพื่อการบูรณาการก็คือ เมื่อแสงไหลเวียนไปในทิศทางเดียวในท่อนำคลื่นวงแหวน นักวิจัยเชื่อว่าเลเซอร์มีภูมิคุ้มกันโดยธรรมชาติต่อการตอบสนองที่อาจรบกวนเลเซอร์อื่นๆ จำนวนมาก ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องใช้ตัวแยกแม่เหล็ก ซึ่งมักเป็นไปไม่ได้ที่จะรวมเข้ากับชิปซิลิคอนในเชิงพาณิชย์

เมื่อคำนึงถึงการบูรณาการ นักวิจัยต้องการขยายเทคนิคนี้ไปไกลกว่าเลเซอร์ควอนตัมคาสเคด “แม้ว่าชิปจะมีขนาดกะทัดรัด แต่เลเซอร์ควอนตัมคาสเคดมักต้องใช้แรงดันไฟฟ้าสูงในการทำงาน ดังนั้นจึงไม่ใช่วิธีที่จะวางอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไว้บนชิป” Piccardo กล่าว “หากสิ่งนี้สามารถทำงานในเลเซอร์อื่นๆ เช่น เลเซอร์แบบเรียงซ้อนระหว่างแถบ เราก็สามารถย่อขนาดทั้งหมดให้เล็กลงได้ และมันสามารถใช้งานแบตเตอรี่ได้จริงๆ”

นักฟิสิกส์เลเซอร์ ปีเตอร์ เดลฟีเยตต์ แห่งมหาวิทยาลัย Central Florida ในออร์แลนโดเชื่อว่างานนี้ถือเป็นคำมั่นสัญญาสำหรับการทำงานในอนาคต “พัลส์มืดในโดเมนความถี่นี้เป็นธนาคารแห่งสี และแม้ว่าความบริสุทธิ์ของสเปกตรัมจะค่อนข้างดี แต่ก็ยังไม่สามารถวางตำแหน่งที่แน่นอนได้” เขากล่าว “อย่างไรก็ตาม ความจริงที่ว่าพวกเขาสามารถทำเช่นนี้ได้ โดยการสร้างโซลิตอนบนชิปด้วยอุปกรณ์ปั๊มไฟฟ้า ซึ่งในความเป็นจริงแล้วเป็นความก้าวหน้าที่สำคัญอย่างยิ่ง โดยไม่มีข้อกังขา."

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน ธรรมชาติ.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์