Волновой эффект связанных состояний позволяет сделать лазеры эффективнее и дешевле.

Сложно представить нашу жизнь без лазеров – их используют для передачи информации в оптоволоконных кабелях, в устройствах считывания данных, в методах высокоточной резки и обработки материалов, в хирургии и т. д. И хотя сейчас у нас есть широчайший выбор разных типов лазеров с разными свойствами, физики не прекращают исследований в этой области.

Лазерный резак. (Фото: Sonar / Depositphotos.)

Слева: матрица цилиндрических нанорезонаторов под разными углами; справа: оптическая накачка ССК-лазера. (Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature doi:10.1038/nature20799, copyright 2017.)

Слово «лазер» расшифровывается как light amplification by stimulated emission of radiation – то есть «усиление света посредством вынужденного излучения». Как он работает? Так называемая активная среда «накачивается» внешним источником энергии, оптическим или электрическим, после чего испускает когерентное монохромное (строго одноцветное) излучение с малой расходимостью пучка.

На атомном уровне здесь происходит следующее: электроны внешней атомной оболочки «перебрасываются» в возбуждённое состояние за счёт внешней энергии, а через некоторое время атомы активной среды спонтанно испускают фотоны с длиной волны, которая соответствует энергетической разнице между возбуждённым и основным состоянием атомов.

Эти фотоны стимулируют другие атомы испустить фотоны с такой же длиной волны и фазой, и, благодаря непрерывной накачке, происходит лавинообразное испускание фотонов. Обычно активная среда заключена в резонатор, состоящий из двух параллельно установленных зеркал, многократно переотражающих свет, и все фотоны, направление которых отличается от главной оси системы, выходят из резонатора. Когда интенсивность излучения достигает некоторого порогового значения, пучок покидает резонатор через одно из зеркал, которое сделано полупрозрачным.

Как улучшить лазер? Например, можно постараться уменьшить само устройство, сделать его более компактным; или сделать так, чтобы можно было менять длину и форму луча; наконец, можно повысить эффективность преобразования энергии накачки в лазерное излучение. Один из факторов, снижающих эффективность энергетического преобразования – это резонатор. Без него обойтись вроде бы никак нельзя: для излучения нужной интенсивности нужны стоячие волны (то есть фотоны должны возвращаться туда и обратно внутри активной среды, интерферируя сами с собой). Резонатор требуется как раз для стоячих световых волн, однако на самом деле их можно сделать и в континууме, без системы зеркал, благодаря одному любопытному волновому эффекту.

В 1929 году, всего через 3 года после зарождения квантовой механики, Джон фон Ньюман и Юджин Вигнер показали, что решением уравнения Шрёдингера могут быть так называемые связанные состояния в континууме (ССК), ограниченные в пространстве потенциальным барьером определённой формы. Энергия связанных состояний оказалась выше, чем энергия барьера, и при том они были стабильны во времени – при условии, что размеры системы стремятся к бесконечности.

Долгое время это решение считалось математическим артефактом, но в конце 70-х физики предсказали существование ССК в полупроводниковых сверхрешетках. Позже, благодаря развитию теории резонанса, удалось найти определенное соотношение фаз двух волн за пределами потенциального барьера, которое приводит к деструктивной интерференции, в результате чего волны оказываются «заперты» внутри потенциала и конструктивно интерферируют, увеличивая свою интенсивность. Таким образом, оказалось, что ССК имеют волновую природу и не ограничены квантовой механикой: их можно встретить в акустике, микроволновой физике и нанофотонике.

Исследователи из Университета Сан-Диего в США под началом профессора Бубакара Кантэ показали, что это феномен связанных состояний в континууме можно использовать для накачки лазера при комнатной температуре.

ССК-лазер изготовили на основе тонкой полупроводниковой мембраны, состоящей из индия, галлия, мышьяка и фосфора; он состоит из цилиндрических нанорезонаторов, подвешенных в воздухе и соединённых металлическими мостами для механической устойчивости. Матрица из нанорезонаторов получена с помощью электронно-лучевой литографии и реактивного ионного травления – стандартных методов производства полупроводниковых структур. Лазер функционирует, даже если уменьшить размер матрицы до 8Х8 цилиндров, то есть всего до нескольких квадратных микрометров. Длина волны определяется радиусом цилиндров.

Более того, ССК-лазеры можно изготовить таким образом, что их пучки будут иметь определённую форму, например, в виде спирали, пончика или «колокола» Гаусса. Это чрезвычайно пригодилось бы для оптических ловушек, биологических сенсоров и особенно квантово-информационных устройств и оптических коммуникаций, ведь такие пучки могут переносить до десяти раз больше информации. Подробно устройство нового лазера описано в статье в Nature.

В эксперименте исследователи использовали оптическую накачку высокочастотным излучением; сам же новый лазер излучает на длине волны, используемой для телекоммуникаций (в инфракрасном спектре). По словам профессор Кантэ, он и его группа «...продемонстрировали, что ССК действительно способны генерировать лазерное излучение, теперь задача состоит в том, чтобы создать схожее устройство на электрической накачке».

Другой автор работы, Бабак Бахари, добавляет: «Источники света – одни из ключевых компонентов в технологиях оптических коммуникаций, используемых при создании мобильных телефонов, компьютеров и в астрономии. Мы создали более эффективный источник света как по потребляемой мощности, так и по скорости».

Немаловажно, что с технологической точки зрения такие лазеры требуют меньшего количества компонентов, и, соответственно, их делать их должно быть проще и дешевле. Поэтому можно надеяться, что в скором времени даже обычные магазинные сканеры штрих-кода обзаведутся новой лазерной «начинкой».