Построен первый лазер на бозонах

Несмотря на широкое использование лазеров уже в течение полувека, их конструкция претерпела относительно мало изменений. Международный коллектив под руководством профессора Стэнфорда Йошихисы Ямамото (Yoshihisa Yamamoto) разработал и продемонстрировал принципиально новый, поляритонный лазер с электрической накачкой, отличающийся повышенной эффективностью.

Это устройство способно работать, потребляя всего один процент мощности традиционного лазера. Оно основано на использовании уникальных физических свойств субатомных частиц бозонов, которые ученые пытаются задействовать в лазерах на протяжении нескольких десятилетий.

По итогам работы в номере Nature за 16 мая опубликована статья, соавторами которой выступают специалисты из Национального института информатики (Токио, Япония) и университета г. Вюрцбург (Германия).

В поляритонном лазере электроны связываются с так называемыми «дырками» и формируют другой тип частиц — экситоны. Эти частицы относятся к бозонам и, в отличие от электронов, для них отсутствует жесткое ограничение на количество вакансий на каждом энергетическом уровне. Благодаря этому, в нынешней неоптимизированной реализации, экситонный лазер потребляет в 2-5 раз меньше энергии, чем традиционный лазер, а в будущем выигрыш в экономичности может достичь двух порядков.

Основанный на новом физическом механизме лазер состоит из резервуаров электронов и дырок. При появлении тока из них образуются экситоны, которые переходят в возбужденное состояние. При столкновении такого экситона с фотоном он формирует поляритон и излучает идентичный фотон. Весь процесс напоминает солнечную ячейку наоборот — в них свет используется для создания экситонов, разделяемых на электроны и дырки с получением электричества.

Опытный поляритонный лазер может работать только при температуре 4 °K, требуя непрерывного охлаждения жидким гелием, чтоб предотвратить термический распад экситонов в арсениде галлия. Ученые рассчитывают, что переключение на новый материал, требующий больше энергии для разрыва электрон-дырочных пар, позволит построить лазер, работающий при комнатной температуре.

Представленные результаты недавно были воспроизведены и подтверждены в университете штата Мичиган, о чем сообщается в журнале Physical Review Letters.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365