Gran pas en el disseny del nanolaser.

Els làsers són àmpliament utilitzats en els electrodomèstics, la medicina, la indústria, les telecomunicacions i moltes més aplicacions.

Fa diversos anys, els científics van introduir nanolasers. El seu disseny és similar al dels làsers semiconductors convencionals basats en heterostructures d'ús comú durant diverses dècades. La diferència és que les cavitats de les nanolasers són molt petites, segons l'ordre de la longitud d'ona de la llum que emeten. Atès que generen majoritàriament llum visible i infraroja, la mida és d'una milionèssima part de metre.

Els nanolasers tenen propietats úniques notablement diferents a les de làsers macroscòpics. No obstant això, actualment és gairebé impossible determinar a quina velocitat la radiació de sortida del nanolaser es fa coherent. A més, per a aplicacions pràctiques, és important distingir entre els dos règims del nanolàser: la veritable acció làser amb una sortida coherent a altes corrents, i el règim del LED  amb la sortida incoherent a baixes corrents. Els investigadors de l'Institut de Física i Tecnologia de Moscou van desenvolupar un mètode per determinar en quines circumstàncies els nanolasers es consideren veritables làsers. La investigació es va publicar a Optics Express.

Prova de Nanolaser. Font: @ tsarcyanide / MIPT

En un futur pròxim, els nanolasers s'incorporaran a circuits òptics integrats, on es requeriran per a una nova generació d'interconnexions d'alta velocitat basades en guies d'ona fotòniques, que augmentarien el rendiment de les CPU i les GPU per diversos ordres de magnitud. De manera similar, l'arribada de la fibra òptica a Internet ha millorat la velocitat de connexió, al mateix temps que augmenta l'eficiència energètica.

I aquesta no és, amb diferència, l'única aplicació possible de nanolasers. Els investigadors ja estan desenvolupant sensors químics i biològics, de només centenars de milers de fracció de metre, i sensors d'estrès mecànics tan diminuts com diverses milionèsimes parts d'un metre. També s'espera que els nanolasers s'utilitzin per controlar l'activitat neuronal en organismes vius, inclosos els humans.

Per obtenir una font de radiació com la del làser, ha de complir una sèrie de requisits, el principal és que ha d'emetre una radiació coherent. Una propietat característica que està estretament associada a la coherència és la presència d'un anomenat llindar de pèrdua. La radiació de sortida és majoritàriament espontània i no és diferent en les seves propietats a partir de la sortida dels díodes emissors de llum convencionals (LED). Però una vegada que s'aconsegueix el corrent de llindar, la radiació es converteix en coherent. En aquest punt, l'espectre d'emissió d'un làser macroscòpic convencional es redueix i també, els seus punts de potència de sortida. Aquesta última propietat proporciona una manera fàcil de determinar el llindar de pèrdua, és a dir, investigant com la potència de sortida varia amb la corrent (figura A).

Dependència de la potència de sortida en la corrent de la bomba per a un làser macroscòpic convencional (A), i per a un làser nanoescala típic (B) a una temperatura determinada. Font: AA Vyshnevyy i D.Yu. Fedyanin, DOI: 10.1364 / OE.26.033473

Moltes nanolasers es comporten de la forma en què fan les seves macroscòpiques contraparts convencionals, presentant un corrent de llindar. Tanmateix, per a alguns dispositius, no es pot identificar un llindar de pèrdua analitzant la corrent de potència de sortida versus corrent de la bomba, ja que no té característiques especials i només és una línia recta a l'escala log-log (línia vermella a la figura B). Aquestes nanolasers són conegudes com "sense llindar". Això planteja la pregunta: A quina velocitat actual es converteixen la seva radiació com a làser?

La manera òbvia de respondre això és mesurar la coherència. Tanmateix, a diferència de l'espectre d'emissió i la potencia de sortida, la coherència és molt difícil de mesurar en el cas dels nanolasers, ja que requereix equips capaços de registrar fluctuacions d'intensitat en trilionèsima part de segon, que és la temporalització en què es produeixen els processos interns d'un nanolaser .

Andrey Vyshnevyy i Dmitry Fedyanin de l'Institut de Física i Tecnologia de Moscou van trobar una manera d'evitar les mesures de coherència directa, tècnicament desafiants. Van desenvolupar un mètode que utilitza els paràmetres làser principals per quantificar la coherència de la radiació del nanolaser. Els investigadors afirmen que la seva tècnica permet determinar el corrent de llindar per a qualsevol nanolaser (figura B). Es van descobrir que fins i tot un nanolaser "sense llums" té, de fet, un corrent de llindar diferent que separa els règims LED i les pèrdues. La radiació emesa és incoherent per sota d'aquest llindar actual i coherent per sobre d'aquest.

Corrent de llindar de Nanolaser versus temperatura del dispositiu. Les corbes blau i verde donen una aproximació molt bona del valor exacte que mostra la línia vermella. Font: Andrey A. Vyshnevyy i Dmitry Yu. Fedyanin, DOI: 10.1364 / OE.26.033473

Sorprenentment, el corrent umbral d'un nanolaser de cap manera no es relaciona  amb les característiques de la característica de sortida o amb la selectivitat de l'espectre d'emissió, que són senyals del llindar  en els làsers macroscòpics. La figura B mostra clarament que, fins i tot si es veu un fort parany en la característica de sortida, la transició, es produeix a corrents més alts. Això és el que els científics no podien esperar dels nanolasers.

Aquest càlculs, mostren que, en la majoria dels treballs sobre nanolasers, no es va aconseguir en el règim de pèrdua. Malgrat que les investigacions realitzaven mesures per sobre de la característica de sortida, l'emissió de nanoláser era incoherent, atès que el llindar real de pèrdua era de magnitud per sobre del valor del kink.

Tot i que les mesures de coherència i els càlculs són difícils, Vyshnevyy i Fedyanin van presentar una fórmula simple que es pot aplicar a qualsevol nanolaser. Utilitzant aquesta fórmula i la característica de sortida, els enginyers de nanolaser, ara poden mesurar ràpidament el corrent de llindar de les estructures que creen (següent anterior).

Font: Institut de Física i Tecnologia de Moscou