Чтобы контролировать поляритоны в рабочей среде лазера, использовались вот такие колонны шириной в два микрометра каждая. (Здесь и ниже иллюстрации Nature.)
Обычный лазер стимулирует эмиссию излучения методом перевода находящихся в рабочей камере электронов в возбуждённое состояние, а когда они достигают довольно высокой энергии, им позволяют расстаться с её частью, испуская фотоны. Они-то и образуют когерентный пучок света, который мы называем лазерным излучением.
Новый лазер работает не с электронами, а с поляритонами. Это составные квазичастицы, возникающие при взаимодействии фотонов и элементарных возбуждений среды — а значит, и энергия их состоит частью из электромагнитной, а частью из энергии собственных возбуждений среды. Поляритоны бывают разными, в зависимости от того, какие именно колебания среды являются «напарниками» фотонов. В данном случае в качестве таковых использовались экситоны — квазичастицы из электрона и дырки. То есть в новом лазере применяются экситонные поляритоны.
Когда энергия накачивается в рабочую среду (кристаллическую) лазера, экситонные поляритоны абсорбируют её и затем быстро, почти одномоментно испускают как фотоны. Разница в том, что в обычном лазере большинство электронов должно находиться в высокоэнергетическом состоянии — иначе излучение просто не начнётся. Напротив, экситон-поляритонный лазер может работать и без этого условия.
Концепция устройства относительно проста; впервые она была описана в 1996 году. Нечто подобное удавалось даже сделать — правда, источником накачки был обычный лазер, что резко ограничивало главное преимущество поляритонной системы: ведь ей не нужно тратить для начала излучения столько же энергии, сколько стандартным аналогам, но в условиях накачки «нормальным» лазером экономить на энергии всё равно не получалось.
А теперь независимо созданы прототипы, которые для накачки потребляют только электричество и не нуждаются в обычных лазерных системах. Таким образом, перед нами первые пригодные к практическому применению образцы таких устройств.
Коротко о том, во что всё это может вылиться. Порог начала излучения у первых прототипов равен всего 12 А на квадратный сантиметр. Поскольку это пионерские устройства, исследователи надеются резко улучшить этот результат. Напомним, что даже у лучших сегодняшних лазеров (на квантовых точках), доводка которых потребовала многих лет напряжённого труда, порог начала излучения ровно такой же, как у самых первых экспериментальных образцов поляритонных лазеров с электрической накачкой.
Другое преимущество поляритонников — куда более быстрое включение и отключение, один цикл которых в сумме длится буквально пикосекунды (квинтиллионная доля секунды). Как вы уже догадались, это означает, что сигналы, подаваемые такими устройствами по оптоволоконной линии, можно отправлять намного чаще, чем с использованием стандартных нынешних лазеров, и фактически чаще, чем сегодняшняя электроника сможет их эффективно обрабатывать. Но как вариант можно отправлять сигналы с такой же скоростью, однако с гораздо меньшими энергозатратами.
Кроме того, поляритонники способны работать на весьма перспективных террагерцевых частотах, где нынешние лазеры страдают отсутствием компактности. Такого рода устройства могут в значительной степени дополнить сегодняшнюю рентгенографию, будучи при этом намного более безопасными радиологически.
Увы, прямо сейчас для применения образцам многого не хватает: пока обе разработки базируются на арсениде галлия и требуют охлаждения до -243 ºС. В качестве следующего шага исследователи нацелились на создание поляритонных лазеров с электрической накачкой, работающих при комнатных температурах, к чему, в принципе, нет никаких теоретических препятствий. Да и аналоги с оптической накачкой уже трудятся в таких условиях .
Интересно, что оба коллектива, опубликовавшись в течение одной недели, до того не были в курсе работ друг друга. Тем не менее, как полагают сами учёные, однонаправленность мыслей — равно как и созданных прототипов — подтверждает здравость идеи.
Отчёты об исследованиях опубликованы в журналах Nature и Physical Review Letters.
Подготовлено по материалам IEEE Spectrum.
