Per domare il caos in potenti laser a semiconduttore, che causa instabilità, gli scienziati hanno introdotto un altro tipo di caos.

I laser a semiconduttore ad alta potenza sono utilizzati nella lavorazione dei materiali, imaging biomedico e ricerca industriale, ma la luce emessa che producono è affetta da instabilità, rendendolo incoerente.

Le instabilità nel laser sono causate da filamenti ottici; strutture leggere che si muovono casualmente e cambiano nel tempo, provocando il caos. Rimuovere queste instabilità è stato a lungo un obiettivo in fisica, ma le strategie precedenti per ridurre i filamenti hanno solitamente comportato la riduzione della potenza del laser.

Ciò significa che non può più essere utilizzato per molte applicazioni pratiche ad alta potenza, come nel cinema laser 3D ultraluminoso o come elementi in sistemi laser estremamente luminosi utilizzati nei reattori a fusione.

Anziché, i ricercatori hanno dovuto scegliere tra un potente laser a semiconduttore con una qualità di uscita scadente e un laser coerente ma molto meno potente.

Ora, un gruppo di ricerca dell'Imperial College di Londra, Università di Yale, La Nanyang Technological University e l'Università di Cardiff hanno escogitato una nuova soluzione.

La loro tecnica, pubblicato oggi in Scienza , usa il 'caos quantistico' per prevenire i filamenti laser, che portano all'instabilità, dalla formazione in primo luogo. Creando il caos quantistico (onde) nella cavità utilizzata per creare il laser, il laser stesso rimane fermo.

Professor Ortwin Hess, dal Dipartimento di Fisica dell'Imperial, contribuito gran parte della teoria, simulazione e interpretazione del nuovo sistema. Ha detto:"Il modo in cui i filamenti ottici, che causano le instabilità del laser, crescere e resistere al controllo è per il laser un po' come il comportamento indisciplinato dei tornado. Una volta formati, si muovono caoticamente, provocando distruzione al loro passaggio.

"Però, è più probabile che i tornado si formino e si muovano su un territorio pianeggiante. Per esempio, in America si formano frequentemente nel bellissimo Oklahoma ma non così spesso nel collinoso West Virginia. Le colline sembrano essere una differenza fondamentale:impediscono ai tornado di formarsi o spostarsi.

"Nello stesso modo, creando un paesaggio ottico "collinare" proprio all'interno dei nostri laser usando il caos quantistico, non permettiamo ai filamenti, i nostri tornado ottici, di formarsi o crescere senza controllo".

Il sistema laser, prodotto presso la Nanyang Technological University di Singapore, è stato dimostrato sperimentalmente alla Yale University. Il team sta ora lavorando per esplorare ulteriormente e adattare l'emissione di luce, come migliorare la direzionalità del laser.

Dicono tuttavia che la svolta dovrebbe già consentire ai laser a semiconduttore di funzionare a una potenza più elevata con un'elevata qualità di emissione, e che la stessa idea potrebbe essere applicata ad altri tipi di laser.

I laser emettono luce coerente che può essere focalizzata in un raggio stretto. Per produrre e amplificare la luce, viene fatto rimbalzare intorno a una cavità attraverso speciali materiali di guadagno. Però, quando vengono accesi grandi laser a semiconduttore, questo rimbalzare avanti e indietro crea filamenti, sezioni della luce che iniziano rapidamente ad agire in modo caotico.

Per creare un diverso tipo di caos, il paesaggio caotico quantistico, il team ha progettato una nuova forma di cavità per il laser. La maggior parte delle cavità sono di forma cuboide, ma utilizzando una cavità a forma di D, il team è stato in grado di indurre il caos quantistico nella luce che rimbalza.

Questo caos quantistico agisce su una scala più piccola della lunghezza d'onda della luce, creando le 'colline' ottiche che aiutano a dissipare i 'tornado' ottici.

Professor Hui Cao, dell'Università di Yale, ha dichiarato:"Utilizziamo cavità caotiche o disordinate per interrompere la formazione di strutture auto-organizzate come i filamenti che portano a instabilità".

Il team ha acquisito informazioni sui processi e sulle forme delle cavità che potrebbero creare questo tipo di caos quantistico da teorie ed esperimenti in nanofotonica e nanoplasmonica, studiando luce e metalli su scale di miliardesimi di metro.

Il professor Hess ha aggiunto:"Ho lavorato sulla dinamica spazio-temporale e quantistica nei laser sin dal mio dottorato di ricerca, quindi è gratificante tornarci ora con le conoscenze acquisite dalla nanofotonica e dalla nanoplasmonica.

"La relazione funziona anche al contrario:con sistemi come questo possiamo offrire nuove informazioni sulla nanofotonica e la nanoplasmonica, e riunire le comunità delle nanoscienze e dei laser".