Поляритонный лазер с накачкой электрическим током: Революция в лазерных технологиях
Принцип работы лазеров основан на вынужденном излучении, теория которого была создана Альбертом Эйнштейном.
В обычных лазерах вынужденное излучение испускается электронами активной среды, которые, взаимодействуя с фотонами, переходят с определенного высокого квантового энергетического уровня на более низкий, излучая «точные копии» исходных фотонов.
Энергию для возвращения на высокие энергетические уровни электроны получают от внешнего источника с помощью процесса накачки.
Данный процесс энергетически неэффективен. Число электронов, которые одновременно могут находиться на нужном энергетическом уровне, ограничено, и обычные лазеры расходуют энергию накачки на электроны, попадающие на более высокие энергетические уровни.
В поляритонном лазере электроны могут соединяться с имеющимися в полупроводнике дырками в квазичастицы — экситоны. Экситоны являются бозонами и способны находиться на любом энергетическом уровне в неограниченном количестве.
При подаче электрического тока электроны и дырки одновременно переходят на более высокие энергетические уровни, формируя экситоны. Экситон, взаимодействуя с фотоном, превращается в поляритон, который излучает фотон, идентичный исходному фотону.
Использование бозонов позволяет существенно снизить минимальную мощность, на которой может работать лазер. Группе Ямамото удалось добиться минимального энергопотребления в 2−5 раз ниже, чем у традиционного лазера, но в будущем поляритонные лазеры смогут потреблять в 100 раз меньше энергии, чем традиционные. Важным качеством поляритонного лазера с накачкой электрическим током является и то, что для своей работы он не требует ничего, кроме источника питания, и легко может интегрироваться с полупроводниковыми чипами.
Новый лазер, пока способный работать только при очень низких температурах — 4К (-269°С) при непрерывном охлаждении жидким гелием, уже используется в Стэнфорде разработчиками квантовых компьютеров. Поляритонные лазеры с накачкой электрическим током, работающие при комнатных температурах, по мнению разработчиков, могут быть созданы в ближайшее время и выйдут за стены научных лабораторий через 5−10 лет.
О разработке аналогичного лазера сообщила и независимая группа из Мичиганского университета.
По сообщению Стэнфордского университета
