Le sorgenti luminose coerenti sono una delle basi più cruciali sia nelle discipline scientifiche che nelle applicazioni avanzate. Come piattaforma di spicco, Le microcavità in modalità WGM (sussurring-gallery mode) ad altissima Q hanno assistito a sviluppi significativi di nuove sorgenti luminose. Però, l'intrinseca simmetria chirale della geometria delle microcavità WGM e la risultante equivalenza tra le due direzioni di propagazione del laser in una cavità limita fortemente ulteriori applicazioni dei microlaser.

Molto recentemente, un team di ricercatori guidati dal professor Xiao Yun-Feng e dal professor Gong Qihuang dell'Università di Pechino, in collaborazione con il professor Qiu Cheng-Wei dell'Università Nazionale di Singapore e il professor Stefan Rotter dell'Università di Tecnologia di Vienna, ha dimostrato un microlaser spontaneamente rotto dalla simmetria in una microcavità WGM ad altissimo Q, esibendo direzioni di propagazione riconfigurabili del laser chirale. Questo lavoro è stato pubblicato online in Comunicazioni sulla natura il 28 febbraio, 2019.

Negli studi precedenti, le soluzioni esistenti per un microlaser chirale ricorrono principalmente alla rottura esplicita della simmetria della struttura di una microcavità WGM. Sfortunatamente, la scalabilità e la riconfigurabilità di queste strategie precedenti sono fortemente limitate in quanto i dispositivi, una volta fabbricato, venire con un prefisso, direzionalità laser non personalizzabile. In questo lavoro, i ricercatori hanno realizzato un microlaser chirale riconfigurabile in una microcavità WGM simmetrica utilizzando la non linearità ottica Kerr potenziata dalla cavità.

"Abbiamo impiegato laser Raman a microcavità nell'esperimento, che generalmente coinvolgono una coppia di onde bilanciate in senso orario (CW) e antiorario (CCW), " disse Cao Qi-Tao, un dottorato di ricerca studente all'Università di Pechino e uno dei co-primi autori di questo lavoro. Le onde laser Raman nelle due direzioni sono accoppiate tra loro tramite scattering Rayleigh di superficie lineare e modulazione di fase non lineare per effetto Kerr ottico. Man mano che la potenza del microlaser con una particolare fase aumenta e raggiunge una soglia, l'accoppiamento lineare è completamente compensato dall'accoppiamento non lineare. Al di sopra di questa soglia, la simmetria chirale del campo laser si rompe spontaneamente, e l'onda Raman evolve casualmente in uno stato chirale con una propagazione laser dominata da CW o CCW. Sperimentalmente, si ottiene un rapporto senza precedenti di intensità di emissione in contropropagazione superiore a 160:1. Per di più, la direzionalità di tale microlaser chirale è controllata in modo completamente ottico e dinamico dalla polarizzazione nella direzione della pompa, e la soglia di rottura della simmetria è regolabile utilizzando un nanotip scatterer.

"I nostri risultati infrangono il confine percettivo di come realizzare una fonte di luce coerente riconfigurabile, per consentire una potente riconfigurabilità della direzionalità e della chiralità di un laser, e per estendere un impatto a lungo termine sulla nanofotonica su chip e sui processi non lineari, " ha affermato il professor Xiao. "Un tale laser a emissione chirale spontanea può anche essere esteso a varie microstrutture, ed è quasi libero dal limite materiale a causa dell'ubiquità della non linearità di Kerr."