Ett team som leds av fysiker vid University of Utah har upptäckt hur man åtgärdar ett stort problem som uppstår i lasrar tillverkade av en ny typ av material som kallas quantum dots. Det aldrig tidigare setta fenomenet kommer att vara viktigt för ett framväxande område för fotonikforskning, inklusive en dag att göra mikrochips som kodar information med hjälp av ljus istället för elektroner.

Studien publicerades den 4 februari, 2019, i tidningen Naturkommunikation .

Lasrar är enheter som förstärker ljus, producerar ofta en singel, smal ljusstråle. Strålens styrka beror på materialet med vilket lasern byggdes; ljus passerar genom materialet, som producerar en stråle gjord av ljusvågor alla med liknande våglängder, koncentrera mycket energi till ett litet område. Denna materialegenskap för att kunna förstärka strålens energi kallas "förstärkning".

Många forskare bygger lasrar med kvantprickar. Kvantprickar är små kristaller av halvledarmaterial som växer till storlekar på endast cirka 100-atomer tvärs över. Kristallernas storlek bestämmer ljusstrålens våglängd, från blått till rött ljus och till och med in i det infraröda.

Människor är intresserade av quantum dot -lasrar eftersom de kan ställa in egenskaper helt enkelt genom att odla kristallerna i olika storlekar genom att använda olika halvledande material och välja olika former och storlekar på lasrarna. Nackdelen är att quantum dot -lasrar ofta innehåller små defekter som delar ljuset i flera våglängder, som fördelar strålens energi och gör den mindre kraftfull. Helst, du vill att lasern ska koncentrera effekten till en våglängd.

Den nya studien försökte korrigera denna defekt. Först, samarbetspartners från Georgia Institute of Technology gjorde 50 mikroskopiska skivformade kvantpunktslasrar av kadmiumselenid. U -laget visade sedan att nästan alla enskilda lasrar hade defekter som delade strålarnas våglängder.

Forskarna kopplade sedan ihop två lasrar för att korrigera våglängdssplittringen. De lägger en laser med full förstärkning, som beskriver den maximala energimängden. För att uppnå full vinst, forskarna sken ett grönt ljus, kallade "pump" -lampan, på den första lasern. Quantum dot-materialet absorberade ljuset och avgav en kraftfullare strål av rött ljus igen. Ju starkare grönt ljus de lyste på lasern, ju högre vinsten i energi. När den andra lasern inte hade någon förstärkning, skillnaden mellan de två lasrarna förhindrade någon interaktion, och splittring skedde fortfarande. Dock, när laget lyste grönt ljus på den andra lasern, dess vinst ökade, stänga förstärkningsskillnaden mellan de två lasrarna. När förstärkningen i de två lasrarna blev likadana korrigerade interaktionen mellan de två lasrarna splittringen och fokuserade energin till en enda våglängd. Detta är första gången någon har observerat detta fenomen.

Resultaten har konsekvenser för ett nytt område, kallas optik- och fotonikforskning. Under de senaste 30 åren har forskare har experimenterat med att använda ljus för att bära information, snarare än elektroner som används i traditionell elektronik. Till exempel, snarare än att lägga massor av elektroner på ett mikrochip för att få en dator att köra, vissa tänker använda ljus istället. Lasrar skulle vara en stor del av det och att korrigera våglängdssplittring kan ge en betydande fördel för att styra information genom ljus. Det kan också vara en stor fördel att använda material som kvantprickar inom detta område.

"Det är inte omöjligt att någon kan göra en defektfri laser med kvantpunkter, men det skulle vara dyrt och tidskrävande. I jämförelse, kopplingen är snabbare, mer flexibel, kostnadseffektivt sätt att åtgärda problemet, "sa Evan Lafalce, forskningsassistent professor i fysik och astronomi vid U och huvudförfattare till studien. "Det här är ett knep så att vi inte behöver göra perfekta quantum dot -lasrar."