Een team onder leiding van natuurkundigen van de Universiteit van Utah heeft ontdekt hoe een groot probleem kan worden opgelost dat optreedt bij lasers die zijn gemaakt van een nieuw type materiaal dat kwantumstippen wordt genoemd. Het nooit eerder vertoonde fenomeen zal belangrijk zijn voor een opkomend gebied van fotonica-onderzoek, inclusief op een dag microchips maken die informatie coderen met licht in plaats van elektronen.

De studie gepubliceerd op 4 februari, 2019, in het journaal Natuurcommunicatie .

Lasers zijn apparaten die licht versterken, vaak een enkele, smalle lichtbundel. De sterkte van de straal hangt af van het materiaal waarmee de laser is gebouwd; licht gaat door het materiaal, die een bundel produceert die bestaat uit lichtgolven met allemaal dezelfde golflengten, het concentreren van veel energie in een klein gebied. Deze materiaaleigenschap om de energie van de bundel te kunnen versterken, wordt "winst" genoemd.

Veel wetenschappers bouwen lasers met kwantumstippen. Quantum dots zijn kleine kristallen van halfgeleidermaterialen die zijn gegroeid tot afmetingen van slechts ongeveer 100 atomen in doorsnede. De grootte van de kristallen bepaalt de golflengte van de lichtstraal, van blauw licht tot rood licht en zelfs tot in het infrarood.

Mensen zijn geïnteresseerd in kwantumpuntlasers omdat ze eigenschappen kunnen afstemmen door simpelweg de kristallen in verschillende maten te laten groeien door verschillende halfgeleidende materialen te gebruiken en verschillende vormen en maten van de lasers te kiezen. Het nadeel is dat kwantumpuntlasers vaak minuscule defecten bevatten die het licht in meerdere golflengten splitsen, die de energie van de straal verdeelt en minder krachtig maakt. Ideaal, je wilt dat de laser het vermogen in één golflengte concentreert.

De nieuwe studie probeerde dit defect te corrigeren. Eerst, medewerkers van het Georgia Institute of Technology maakten 50 microscopisch kleine schijfvormige kwantumpuntlasers van cadmiumselenide. Het U-team toonde vervolgens aan dat bijna alle individuele lasers defecten hadden die de golflengten van bundels splitsen.

De onderzoekers koppelden vervolgens twee lasers aan elkaar om de golflengtesplitsing te corrigeren. Ze zetten één laser op volle sterkte, die de maximaal mogelijke hoeveelheid energie beschrijft. Om volledige winst te behalen, de wetenschappers schenen een groen licht, het "pomp"-lampje genoemd, op de eerste laser. Het materiaal van de kwantumdot absorbeerde het licht en straalde opnieuw een krachtigere straal rood licht uit. Hoe sterker het groene licht dat ze op de laser scheen, hoe hoger de winst in energie. Toen de tweede laser geen winst had, het verschil tussen de twee lasers verhinderde elke interactie, en splitsing vond nog steeds plaats. Echter, toen het team groen licht op de tweede laser scheen, zijn winst nam toe, het sluiten van het versterkingsverschil tussen de twee lasers. Zodra de winst in de twee lasers gelijk werd, corrigeerde de interactie tussen de twee lasers de splitsing en concentreerde de energie in een enkele golflengte. Dit is de eerste keer dat iemand dit fenomeen heeft waargenomen.

De bevindingen hebben implicaties voor een nieuw veld, optica- en fotonica-onderzoek genoemd. In de afgelopen 30 jaar, onderzoekers hebben geëxperimenteerd met het gebruik van licht om informatie te dragen, in plaats van elektronen die in traditionele elektronica worden gebruikt. Bijvoorbeeld, in plaats van veel elektronen op een microchip te zetten om een ​​computer te laten draaien, sommigen stellen zich voor om in plaats daarvan licht te gebruiken. Lasers zouden daar een groot deel van uitmaken en het corrigeren van de golflengtesplitsing kan een aanzienlijk voordeel opleveren bij het controleren van informatie door middel van licht. Het kan ook een groot voordeel zijn om op dit gebied materialen als quantum dots te gebruiken.

"Het is niet onmogelijk dat iemand een defectvrije laser kan maken met kwantumdots, maar het zou duur en tijdrovend zijn. In vergelijking, koppelen gaat sneller, flexibeler, kosteneffectieve manier om het probleem op te lossen, " zei Evan Lafalce, onderzoeksassistent-professor natuurkunde en sterrenkunde aan de U en hoofdauteur van de studie. "Dit is een truc zodat we geen perfecte kwantumpuntlasers hoeven te maken."