I ricercatori dell'Università della California di San Diego hanno dimostrato il primo laser al mondo basato su un fenomeno di fisica delle onde non convenzionale chiamato stati legati nel continuum. La tecnologia potrebbe rivoluzionare lo sviluppo dei laser di superficie, rendendoli più compatti ed efficienti dal punto di vista energetico per le comunicazioni e le applicazioni informatiche. I nuovi laser BIC potrebbero anche essere sviluppati come laser ad alta potenza per applicazioni industriali e di difesa.

"I laser sono onnipresenti nel mondo di oggi, dai semplici puntatori laser di tutti i giorni ai complessi interferometri laser utilizzati per rilevare le onde gravitazionali. La nostra ricerca attuale avrà un impatto su molte aree delle applicazioni laser, " ha detto Ashok Kodigala, un dottorato di ricerca in ingegneria elettrica. studente alla UC San Diego e primo autore dello studio.

"Perché non sono convenzionali, I laser BIC offrono proprietà uniche e senza precedenti che non sono ancora state realizzate con le tecnologie laser esistenti, " disse Boubacar Kanté, professore di ingegneria elettrica presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering che ha guidato la ricerca.

Per esempio, I laser BIC possono essere facilmente sintonizzati per emettere fasci di diverse lunghezze d'onda, una caratteristica utile per i laser medici realizzati per mirare con precisione alle cellule tumorali senza danneggiare i tessuti normali. I laser BIC possono anche essere realizzati per emettere raggi con forme appositamente progettate (spirale, ciambella o curva a campana) - chiamati fasci vettoriali - che potrebbero consentire computer e sistemi di comunicazione ottica sempre più potenti in grado di trasportare fino a 10 volte più informazioni rispetto a quelli esistenti.

"Le sorgenti luminose sono componenti chiave della tecnologia di comunicazione dati ottica nei telefoni cellulari, computer e astronomia, Per esempio. In questo lavoro, presentiamo un nuovo tipo di sorgente luminosa più efficiente di quanto disponibile oggi in termini di consumo energetico e velocità, " disse Babak Bahari, un dottorato di ricerca in ingegneria elettrica. studente nel laboratorio di Kanté e coautore dello studio.

Gli stati legati nel continuum (BIC) sono fenomeni che si prevede esistano dal 1929. I BIC sono onde che rimangono perfettamente confinate, o legato, in un sistema aperto. Le onde convenzionali in un sistema aperto scappano, ma i BIC sfidano questa norma:rimangono localizzati e non sfuggono nonostante abbiano percorsi aperti per farlo.

In uno studio precedente, Kanté e il suo team hanno dimostrato, alle frequenze delle microonde, che i BIC potrebbero essere utilizzati per intrappolare e immagazzinare in modo efficiente la luce per consentire una forte interazione luce-materia. Ora, stanno sfruttando i BIC per dimostrare nuovi tipi di laser. Il team ha pubblicato il lavoro il 12 gennaio in Natura .

Realizzare il laser BIC

Il laser BIC in questo lavoro è costituito da una sottile membrana semiconduttrice di indio, gallio, arsenico e fosforo. La membrana è strutturata come una serie di cilindri di dimensioni nanometriche sospesi nell'aria. I cilindri sono interconnessi da una rete di ponti di sostegno, che forniscono stabilità meccanica al dispositivo.

Alimentando la membrana con un raggio laser ad alta frequenza, i ricercatori hanno indotto il sistema BIC a emettere il proprio raggio laser a frequenza più bassa (alla frequenza delle telecomunicazioni).

"Proprio adesso, questa è una dimostrazione di concetto che possiamo effettivamente ottenere un'azione laser con i BIC, " disse Kanté.

"E ciò che è notevole è che possiamo ottenere il laser di superficie con array piccoli come 8 × 8 particelle, " ha detto. In confronto, i laser di superficie ampiamente utilizzati nelle comunicazioni dati e nel rilevamento ad alta precisione, chiamati VCSEL (laser a emissione superficiale a cavità verticale), necessitano di array molto più grandi (100 volte) e quindi più potenza per ottenere il laser.

"Il popolare VCSEL potrebbe un giorno essere sostituito da quello che chiamiamo lo stato 'BICSEL'-bound nel laser a emissione di superficie continuo, che potrebbe portare a dispositivi più piccoli che consumano meno energia, " ha detto Kanté. Il team ha depositato un brevetto per il nuovo tipo di sorgente luminosa.

L'array può anche essere ridimensionato per creare laser ad alta potenza per applicazioni industriali e di difesa, ha notato. "Una sfida fondamentale nei laser ad alta potenza è il riscaldamento e con le efficienze previste dei nostri laser BIC, potrebbe diventare possibile una nuova era delle tecnologie laser, " disse Kanté.

Il prossimo passo del team è realizzare laser BIC alimentati elettricamente, piuttosto che alimentato otticamente da un altro laser. "Un laser pompato elettricamente è facilmente trasportabile all'esterno del laboratorio e può funzionare con una fonte di batteria convenzionale, " disse Kanté.