Gli schemi sopra mostrano l'ingresso della luce (verde) che entra nelle estremità opposte di un singolo dispositivo. Quando la fase dell'ingresso luce 1 è più veloce di quella dell'ingresso 2 (pannello sinistro), il guadagno medio domina, con conseguente amplificazione coerente della luce, o una modalità laser. Quando la fase dell'ingresso luce 1 è più lenta dell'ingresso 2 (pannello destro), il mezzo di perdita domina, portando ad un assorbimento coerente dei fasci luminosi in ingresso, o una modalità anti-laser. Credito:Zi Jing Wong/UC Berkeley
Riunire le forze opposte in un unico posto è impegnativo come lo immagineresti, ma i ricercatori nel campo della scienza ottica hanno fatto proprio questo.
Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia hanno creato per la prima volta un singolo dispositivo che funge sia da laser che da anti-laser, e hanno dimostrato queste due funzioni opposte ad una frequenza all'interno della banda delle telecomunicazioni.
Le loro scoperte, riportato in un articolo che sarà pubblicato lunedì, 7 novembre nel diario Fotonica della natura , gettare le basi per lo sviluppo di un nuovo tipo di dispositivo integrato con la flessibilità di operare come un laser, un amplificatore, un modulatore, e un assorbitore o rivelatore.
"In una singola cavità ottica abbiamo ottenuto sia l'amplificazione coerente della luce che l'assorbimento alla stessa frequenza, un fenomeno controintuitivo perché questi due stati fondamentalmente si contraddicono a vicenda, " ha detto il ricercatore principale dello studio Xiang Zhang, scienziato senior della facoltà presso la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab. "Questo è importante per la modulazione ad alta velocità degli impulsi luminosi nella comunicazione ottica".
Invertire il laser
Il concetto di anti-laser, o assorbitore perfetto coerente (CPA), è emerso negli ultimi anni come qualcosa che inverte ciò che fa un laser. Invece di amplificare fortemente un raggio di luce, un anti-laser è in grado di assorbire completamente i fasci luminosi coerenti in ingresso.
Mentre i laser sono già onnipresenti nella vita moderna, le applicazioni per gli anti-laser, dimostrate per la prima volta cinque anni fa dai ricercatori della Yale University, sono ancora in fase di studio. Poiché gli anti-laser possono captare segnali coerenti deboli nel mezzo di uno sfondo incoerente "rumoroso", potrebbe essere utilizzato come rivelatore chimico o biologico estremamente sensibile.
Un dispositivo in grado di incorporare entrambe le capacità potrebbe diventare un prezioso elemento costitutivo per la costruzione di circuiti integrati fotonici, hanno detto i ricercatori.
"Il controllo su richiesta della luce dall'assorbimento coerente all'amplificazione coerente non è mai stato immaginato prima, e rimane molto ricercato nella comunità scientifica, ", ha affermato l'autore principale dello studio Zi Jing Wong, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Zhang. "Questo dispositivo può potenzialmente consentire un contrasto molto ampio nella modulazione senza limiti teorici".
I ricercatori hanno utilizzato una sofisticata tecnologia di nanofabbricazione per costruire 824 coppie ripetute di materiali di guadagno e perdita per formare il dispositivo, che misurava 200 micrometri di lunghezza e 1,5 micrometri di larghezza. Una sola ciocca di capelli umani, a confronto, ha un diametro di circa 100 micrometri.
Il mezzo di guadagno era costituito da fosfuro di arseniuro di gallio indio, un noto materiale utilizzato come amplificatore nelle comunicazioni ottiche. Il cromo accoppiato con il germanio ha formato il mezzo di perdita. La ripetizione del modello ha creato un sistema risonante in cui la luce rimbalza avanti e indietro in tutto il dispositivo per aumentare l'amplificazione o la grandezza di assorbimento.
Immagine al microscopio elettronico a scansione del singolo dispositivo in grado di laser e anti-lasing. Il materiale indio gallio arseniuro fosfuro (InGaAsP) funziona come mezzo di guadagno, mentre le strutture di cromo (Cr) e germanio (Ge) introducono la giusta quantità di perdita per soddisfare la condizione di simmetria parità-tempo richiesta per lasing e anti-lasing. Credito:Zi Jing Wong/UC Berkeley
Se si deve inviare luce attraverso un tale sistema di ripetizione guadagno-perdita, un'ipotesi plausibile è che la luce sperimenterà la stessa quantità di amplificazione e assorbimento, e la luce non cambierà di intensità. Però, questo non è il caso se il sistema soddisfa condizioni di simmetria parità-tempo, che è il requisito chiave nella progettazione del dispositivo.
Equilibrio e simmetria
La simmetria parità-tempo è un concetto che si evolve dalla meccanica quantistica. In un'operazione di parità, le posizioni sono invertite, come la mano sinistra che diventa la mano destra, o vice versa.
Ora aggiungi l'operazione di inversione del tempo, che è come riavvolgere un video e osservare l'azione al contrario. L'azione inversa di un palloncino che si gonfia, Per esempio, sarebbe lo stesso palloncino che si sgonfia. In ottica, la controparte invertita nel tempo di un mezzo di guadagno amplificatore è un mezzo di perdita assorbente.
Si dice che un sistema che ritorna alla sua configurazione originale eseguendo sia le operazioni di parità che di inversione temporale soddisfa la condizione per la simmetria parità-tempo.
Subito dopo la scoperta dell'anti-laser, gli scienziati avevano previsto che un sistema che esibisse una simmetria paritetica potrebbe supportare sia laser che anti-laser alla stessa frequenza nello stesso spazio. Nel dispositivo creato da Zhang e dal suo gruppo, l'entità del guadagno e della perdita, la dimensione degli elementi costitutivi, e la lunghezza d'onda della luce che si muove attraverso si combinano per creare condizioni di simmetria parità-tempo.
Quando il sistema è bilanciato e il guadagno e la perdita sono uguali, non c'è amplificazione netta o assorbimento della luce. Ma se le condizioni sono perturbate in modo tale da rompere la simmetria, si possono osservare amplificazione e assorbimento coerenti.
Negli esperimenti, due fasci di luce di uguale intensità sono stati diretti alle estremità opposte del dispositivo. I ricercatori hanno scoperto che modificando la fase di una fonte di luce, sono stati in grado di controllare se le onde luminose trascorrevano più tempo nell'amplificazione o nell'assorbimento dei materiali.
L'accelerazione della fase di una sorgente luminosa determina uno schema di interferenza che favorisce il mezzo di guadagno e l'emissione di luce coerente amplificata, o una modalità laser. Rallentare la fase di una sorgente luminosa ha l'effetto opposto, con conseguente maggiore tempo trascorso nel mezzo di perdita e l'assorbimento coerente dei fasci di luce, o una modalità anti-laser.
Se la fase delle due lunghezze d'onda sono uguali ed entrano nel dispositivo contemporaneamente, non c'è né amplificazione né assorbimento perché la luce trascorre lo stesso tempo in ogni regione.
I ricercatori hanno preso di mira una lunghezza d'onda di circa 1, 556 nanometri, che rientra nella banda utilizzata per le telecomunicazioni ottiche.
"Questo lavoro è la prima dimostrazione di guadagno e perdita bilanciati che soddisfa rigorosamente le condizioni di simmetria parità-tempo, portando alla realizzazione di laser e anti-lasing simultanei, ", ha affermato il coautore dello studio Liang Feng, ex ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Zhang, e ora assistente professore di ingegneria elettrica presso l'Università di Buffalo. "Il raggiungimento di successo di laser e anti-lasing all'interno di un singolo dispositivo integrato è un passo significativo verso il limite massimo di controllo della luce".
