В Университете Мичигана (U-M) с использованием поляритонов – квазичастиц, рождающихся на стыке миров излучения и материи, разработан новый, практичный и потенциально более эффективный способ генерирования когерентного лазероподобного луча. Изготовленный там прототип поляритонного лазера не требует криогенного охлаждения: он работает при комнатных температурах и преобразует в излучение электричество вместо света. При этом он расходует в 1000 раз меньше энергии, чем коммерческие лазерные диоды, широко применяемые в потребительской технике.

Эта работа может стимулировать более активное внедрение лазеров в компьютерные схемы, замену металлических межсоединений оптическими, дальнейшую миниатюризацию и увеличение производительности электронного оборудования.

Строго говоря, устройство, созданное в Мичиганском университете нельзя называть лазером. Этот термин является сокращением от усиления света стимулированной эмиссией излучения. Поляритонный «лазер» вместо излучения стимулирует рассеивание поляритонов.

В типичном лазере свет или электрический ток осуществляют накачку материала, который затем усиливает сигнал. До накачки большинство электронов в материале пребывают на уровне с наименьшей энергией – в базовом состоянии. Получив энергию от света или тока, они переходят на более высокие энергетические уровни и происходит «инверсия населенности» – более «населенными» становятся верхние уровни. Теперь подача света или тока оказывает противоположный эффект: спускает возбужденные частицы в базовое состояние и освобождает в виде света накопленную ими энергию.

Поляритонные лазеры не используют инверсию населенности и не нуждаются для работы в активной накачке. Пороговый ток может быть очень мал, и это, как отмечает профессор U-M Паллаб Бхаттачария (Pallab Bhattacharya), особенно привлекательная черта таких устройств.

Его командой был найден оптимальный материал – прозрачный полупроводник нитрид галлия – и разработана уникальная конструкция, позволяющая контролировать условия, способствующие образованию поляритонов и испусканию света.

Поляритон это комбинация экситона (электронно-дырочная пара) и фотона. При оптимальной величине тока или интенсивности света поляритоны не распадаются слишком быстро, а путешествуют по системе и оказываются в состоянии с наименьшей энергией – «когерентном резервуаре» (coherent poo). Здесь поляритоны распадаются и в процессе этого испускают луч монохромного света. Экспериментальный прототип генерирует ультрафиолетовое излучение и расходует при этом менее миллионной доли ватта (лазер в CD-плеере имеет мощность порядка одной тысячной ватта).

Сделать первый в мире действительно практичный поляритонный лазер ученым из U-M позволил отход от традиционной схемы таких устройств, предусматривающей создание конструкции из слоя нитрида галлия и нескольких зеркальных слоев, зажатых между эектродами. Бхаттачария указал, что с электродами, находящимися снаружи зеркал, трудно получить достаточно сильный сигнал. Он изменил конструкцию сэндвича и поместил зеркала по бокам нитрида галлия оставив электроды сверху и снизу.

Информация об этой работе, финансируемой Национальным Научным Фондом, появится в статье, анонсированной для следующего выпуска Physical Review Letters, который выйдет онлайн 10 июня.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI