Quantenlaser verwandelt Energieverlust in Gewinn?

Ein neuer Laser, der Quantenpartikel erzeugt, kann verlorene Energie für hocheffiziente, niederschwellige Laseranwendungen recyceln

13.07.2021 - Korea, Rep.

Wissenschaftler am KAIST haben ein Lasersystem hergestellt, das hochgradig interaktive Quantenpartikel bei Raumtemperatur erzeugt. Ihre Ergebnisse, die in der Zeitschrift Nature Photonics veröffentlicht wurden, könnten zu einem Single-Microcavity-Lasersystem führen, das mit zunehmendem Energieverlust eine geringere Schwellenenergie benötigt.

Bei dem von dem KAIST-Physiker Yong-Hoon Cho und seinen Kollegen entwickelten System wird Licht durch eine einzelne sechseckige Mikrokavität geschickt, die mit einem verlustmodulierten Siliziumnitrid-Substrat behandelt wurde. Das Systemdesign führt zur Erzeugung eines Polariton-Lasers bei Raumtemperatur, was aufregend ist, da dies normalerweise kryogene Temperaturen erfordert.

Die Forscher fanden eine weitere einzigartige und kontra-intuitive Eigenschaft dieses Designs. Normalerweise geht während des Laserbetriebs Energie verloren. Aber in diesem System nahm mit zunehmendem Energieverlust die Energiemenge ab, die benötigt wurde, um das Lasern zu induzieren. Die Ausnutzung dieses Phänomens könnte zur Entwicklung von hocheffizienten Lasern mit niedriger Schwelle für zukünftige quantenoptische Geräte führen.

"Dieses System wendet ein Konzept der Quantenphysik an, das als Paritäts-Zeit-Umkehrsymmetrie bekannt ist", erklärt Professor Cho. "Dies ist eine wichtige Plattform, die es erlaubt, Energieverlust als Gewinn zu nutzen. Es kann verwendet werden, um die Schwellenenergie von Lasern für klassische optische Geräte und Sensoren zu reduzieren, aber auch für Quantengeräte und die Steuerung der Lichtrichtung."

Der Schlüssel ist das Design und die Materialien. Der hexagonale Mikrohohlraum teilt Lichtteilchen in zwei verschiedene Moden auf: eine, die durch das nach oben weisende Dreieck des Sechsecks geht, und eine andere, die durch sein nach unten weisendes Dreieck geht. Beide Moden der Lichtteilchen haben die gleiche Energie und den gleichen Weg, wechselwirken aber nicht miteinander.

Die Lichtteilchen wechselwirken jedoch mit anderen Teilchen, den sogenannten Exzitonen, die der sechseckige Mikrohohlraum, der aus Halbleitern besteht, bereitstellt. Diese Wechselwirkung führt zur Erzeugung von neuen Quantenteilchen, den sogenannten Polaritonen, die dann miteinander wechselwirken und den Polaritonenlaser erzeugen. Durch die Kontrolle des Verlustgrades zwischen der Mikrokavität und dem Halbleitersubstrat entsteht ein faszinierendes Phänomen, bei dem die Schwellenenergie mit zunehmendem Energieverlust kleiner wird.

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