Wetenschappers van KAIST hebben een lasersysteem gefabriceerd dat bij kamertemperatuur zeer interactieve kwantumdeeltjes genereert. Hun bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfotonica , zou kunnen leiden tot een enkelvoudig microcavity-lasersysteem dat een lagere drempelenergie vereist naarmate het energieverlies toeneemt.

Het systeem, ontwikkeld door KAIST-fysicus Yong-Hoon Cho en collega's, omvat het schijnen van licht door een enkele zeshoekige microholte die is behandeld met een verliesgemoduleerd siliciumnitridesubstraat. Het systeemontwerp leidt tot het genereren van een polaritonlaser bij kamertemperatuur, wat spannend is omdat hiervoor meestal cryogene temperaturen nodig zijn.

De onderzoekers vonden nog een uniek en contra-intuïtief kenmerk van dit ontwerp. Normaal gesproken, energie gaat verloren tijdens laserwerking. Maar in dit systeem naarmate het energieverlies toenam, de hoeveelheid energie die nodig is om laseren te induceren nam af. Het benutten van dit fenomeen zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van een hoog rendement, laagdrempelige lasers voor toekomstige kwantum optische apparaten.

"Dit systeem past een concept van kwantumfysica toe dat bekend staat als pariteit-tijd-omkeersymmetrie, " legt professor Cho uit. "Dit is een belangrijk platform waarmee energieverlies als winst kan worden gebruikt. Het kan worden gebruikt om de laserdrempelenergie voor klassieke optische apparaten en sensoren te verminderen, evenals kwantumapparaten en het regelen van de richting van het licht."

De sleutel is het ontwerp en de materialen. De zeshoekige microholte verdeelt lichtdeeltjes in twee verschillende modi:een die door de naar boven gerichte driehoek van de zeshoek gaat en een andere die door de naar beneden gerichte driehoek gaat. Beide vormen van lichtdeeltjes hebben dezelfde energie en hetzelfde pad, maar hebben geen interactie met elkaar.

Echter, de lichtdeeltjes interageren met andere deeltjes die excitonen worden genoemd, geleverd door de zeshoekige microholte, die is gemaakt van halfgeleiders. Deze interactie leidt tot het genereren van nieuwe kwantumdeeltjes, polaritonen genaamd, die vervolgens met elkaar interageren om de polaritonlaser te genereren. Door de mate van verlies tussen de microholte en het halfgeleidersubstraat te regelen, doet zich een intrigerend fenomeen voor, waarbij de drempelenergie kleiner wordt naarmate het energieverlies toeneemt.