Soliton tối được phát hiện trong laser bán dẫn vòng – Vật lý Thế giới

Soliton tối – vùng triệt tiêu quang học trên nền sáng – đã được quan sát thấy hình thành một cách tự phát trong các laser bán dẫn dạng vòng. Được thực hiện bởi một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế, quan sát này có thể dẫn đến những cải tiến về quang phổ phân tử và quang điện tử tích hợp.

Lược tần số – những tia laser phát ra ánh sáng có tần số cách đều nhau – là một trong những thành tựu quan trọng nhất trong lịch sử vật lý laser. Đôi khi được gọi là thước quang học, chúng là cơ sở của các chuẩn thời gian và tần số và được dùng để xác định nhiều đại lượng cơ bản trong khoa học. Tuy nhiên, laser lược tần số truyền thống rất cồng kềnh, phức tạp và đắt tiền và các chuyên gia laser đang quan tâm đến việc phát triển các phiên bản đơn giản hơn có thể tích hợp vào chip.

Trong khi thực hiện một nỗ lực như vậy vào năm 2020, các nhà nghiên cứu ở Federico CapassoNhóm của Đại học Harvard đã vô tình phát hiện ra rằng, sau khi bước vào một chế độ rất hỗn loạn, một tia laser vòng lượng tử đã ổn định ở dạng lược có tần số ổn định – mặc dù chỉ có chín răng – ở vùng “dấu vân tay” hồng ngoại giữa được sử dụng rộng rãi trong quang phổ phân tử.

Laser vòng có một khoang quang học trong đó ánh sáng được dẫn xung quanh một vòng khép kín và laser tầng lượng tử là một thiết bị bán dẫn phát ra bức xạ hồng ngoại.

Kết quả ngoài mong đợi

“Tất cả những kết quả thú vị đó đều đến từ một thiết bị điều khiển – chúng tôi không mong đợi điều này xảy ra,” đại diện Harvard cho biết. Marco Piccardo. Sau nhiều tháng vò đầu bứt tai, các nhà nghiên cứu đã tìm ra rằng hiệu ứng này có thể được hiểu theo nghĩa là sự bất ổn trong phương trình vi phân phi tuyến tính mô tả hệ thống – phương trình phức tạp Ginzberg–Landau.

Trong nghiên cứu mới, Capasso và các đồng nghiệp đã hợp tác với các nhà nghiên cứu ở Benedikt Schwarznhóm tại Đại học Công nghệ Vienna. Đội Áo đã phát triển một số thiết kế lược tần số dựa trên laser tầng lượng tử. Các nhà nghiên cứu đã tích hợp một bộ ghép ống dẫn sóng vào cùng một con chip. Điều này giúp việc trích xuất ánh sáng dễ dàng hơn nhiều và đạt được công suất đầu ra lớn hơn. Nó cũng cho phép các nhà khoa học điều chỉnh tổn hao ghép nối, đẩy tia laser vào giữa chế độ lược tần số của nó và chế độ mà nó sẽ hoạt động như một tia laser sóng liên tục phát ra bức xạ liên tục.

Tuy nhiên, trong chế độ “sóng liên tục”, điều thậm chí còn kỳ lạ hơn sẽ xảy ra. Đôi khi, khi bật tia laser, nó hoạt động đơn giản như một tia laser sóng liên tục, nhưng việc tắt và bật tia laser có thể khiến một hoặc nhiều soliton tối xuất hiện ngẫu nhiên.

Soliton là các gói sóng bức xạ phi tuyến tính, không phân tán, tự tăng cường, có thể truyền trong không gian vô thời hạn và truyền qua nhau một cách hiệu quả mà không thay đổi. Chúng lần đầu tiên được quan sát thấy vào năm 1834 trong sóng nước nhưng sau đó đã được nhìn thấy trong nhiều hệ vật lý khác bao gồm cả quang học.

Soliton trong những khoảng trống nhỏ

Điều đáng ngạc nhiên về quan sát mới nhất này là các soliton xuất hiện dưới dạng những khoảng trống nhỏ trong ánh sáng laser liên tục. Sự thay đổi nhỏ này trong sự phát xạ laser tạo ra sự thay đổi to lớn đối với phổ tần số của nó.

Piccardo giải thích: “Khi bạn nói về laser sóng liên tục, điều đó có nghĩa là trong miền quang phổ bạn có một đỉnh đơn sắc duy nhất. “Sự nhúng này có nghĩa là cả thế giới…Hai bức ảnh này có liên quan với nhau bởi nguyên lý bất định, vì vậy khi bạn có một thứ gì đó rất, rất hẹp về không gian hoặc thời gian, điều đó có nghĩa là trong miền quang phổ, bạn có rất, rất nhiều chế độ và có nhiều, nhiều chế độ có nghĩa là bạn có thể thực hiện quang phổ và quan sát các phân tử phát ra trên một dải quang phổ rất, rất lớn.”

Soliton tối đôi khi đã được nhìn thấy trước đây, nhưng chưa bao giờ xuất hiện trong một tia laser nhỏ được tiêm điện như thế này. Piccardo nói rằng về mặt quang phổ, soliton tối cũng hữu ích như soliton sáng. Tuy nhiên, một số ứng dụng như quang phổ đầu dò bơm yêu cầu xung sáng. Các kỹ thuật cần thiết để tạo ra soliton sáng từ những soliton tối sẽ là chủ đề của nghiên cứu tiếp theo. Các nhà nghiên cứu cũng đang nghiên cứu cách tạo ra soliton một cách xác định.

Ưu điểm quan trọng của thiết kế lược tích hợp này là khi ánh sáng chỉ truyền theo một hướng trong ống dẫn sóng vòng, các nhà nghiên cứu tin rằng tia laser vốn đã miễn nhiễm với sự phản hồi có thể làm gián đoạn nhiều tia laser khác. Do đó, nó sẽ không yêu cầu các bộ cách ly từ tính, thường không thể tích hợp vào chip silicon ở quy mô thương mại.

Với ý tưởng tích hợp, các nhà nghiên cứu muốn mở rộng kỹ thuật này ra ngoài laser tầng lượng tử. Piccardo nói: “Mặc dù con chip này thực sự nhỏ gọn, nhưng laser tầng lượng tử thường yêu cầu điện áp cao để hoạt động, vì vậy chúng không thực sự là một cách để đưa các thiết bị điện tử vào con chip”. “Nếu điều này có thể hoạt động ở các loại laser khác chẳng hạn như laser xếp tầng xen kẽ, thì chúng tôi có thể thu nhỏ toàn bộ thiết bị và nó thực sự có thể hoạt động bằng pin.”

Nhà vật lý laser Peter Delfyett của Đại học Central Florida ở Orlando tin rằng công trình này hứa hẹn cho công việc trong tương lai. “Xung tối này trong miền tần số là một dải màu và mặc dù độ tinh khiết quang phổ của chúng khá tốt nhưng vị trí chính xác của chúng vẫn chưa đạt được,” ông nói. “Tuy nhiên, việc họ có thể làm được điều này – tạo ra soliton trên chip bằng một thiết bị bơm điện – thực tế là một tiến bộ cực kỳ đáng kể. Không nghi ngờ gì."

Nghiên cứu được mô tả trong Thiên nhiên.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/dark-solitons-spotted-in-ring-semiconductor-lasers/