El láser cuántico convierte la pérdida de energía en ganancia?

Un nuevo láser que genera partículas cuánticas puede reciclar la energía perdida para aplicaciones láser de alta eficiencia y bajo umbral

13.07.2021 - Corea, República de

Científicos del KAIST han fabricado un sistema láser que genera partículas cuánticas altamente interactivas a temperatura ambiente. Sus hallazgos, publicados en la revista Nature Photonics, podrían conducir a un sistema de láser de microcavidad única que requiere una energía de umbral más baja a medida que aumenta su pérdida de energía.

El sistema, desarrollado por el físico del KAIST Yong-Hoon Cho y sus colegas, consiste en hacer brillar la luz a través de una única microcavidad de forma hexagonal tratada con un sustrato de nitruro de silicio con pérdidas moduladas. El diseño del sistema permite generar un láser de polaritones a temperatura ambiente, lo que resulta emocionante porque esto suele requerir temperaturas criogénicas.

Los investigadores descubrieron otra característica única y contraintuitiva de este diseño. Normalmente, la energía se pierde durante el funcionamiento del láser. Pero en este sistema, a medida que aumentaba la pérdida de energía, disminuía la cantidad de energía necesaria para inducir el láser. La explotación de este fenómeno podría conducir al desarrollo de láseres de alta eficiencia y bajo umbral para futuros dispositivos ópticos cuánticos.

"Este sistema aplica un concepto de la física cuántica conocido como simetría de paridad-tiempo", explica el profesor Cho. "Se trata de una plataforma importante que permite utilizar la pérdida de energía como ganancia. Puede utilizarse para reducir la energía umbral del láser en dispositivos y sensores ópticos clásicos, así como en dispositivos cuánticos y para controlar la dirección de la luz".

La clave está en el diseño y los materiales. La microcavidad hexagonal divide las partículas de luz en dos modos diferentes: uno que pasa por el triángulo orientado hacia arriba del hexágono y otro que pasa por su triángulo orientado hacia abajo. Ambos modos de partículas de luz tienen la misma energía y trayectoria pero no interactúan entre sí.

Sin embargo, las partículas de luz sí interactúan con otras partículas llamadas excitones, proporcionadas por la microcavidad hexagonal, que está hecha de semiconductores. Esta interacción da lugar a la generación de nuevas partículas cuánticas llamadas polaritones, que luego interactúan entre sí para generar el láser de polaritones. Al controlar el grado de pérdida entre la microcavidad y el sustrato semiconductor, surge un fenómeno intrigante: la energía umbral se hace más pequeña a medida que aumenta la pérdida de energía.

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