Eksciton-polaritonski laseri, poznati po svom radu male snage, dugo su mučili istraživače svojim obećanjem za praktične primene niske energije. Međutim, do sada je čisto merenje širine laserske linije, ili spektralne čistoće, ostalo neuhvatljivo.
„Spektralna čistoća je jedna od definišnih karakteristika lasera, koja govori koliko su pojedinačne energije ili frekvencije fotona bliske jedna drugoj“, kaže saradnik ARC DECRA dr Eliezer Estreho.
Spektralna čistoća lasera se kvantifikuje merom poznatom kao širina linije. Izazov u merenju širine linije proizilazi iz snažne interakcije eksciton-polaritona jedan sa drugim i okolinom, što dovodi do značajnih fluktuacija. Prethodna merenja su bila potrebna za usredsređivanje tokom dugih vremenskih perioda da bi se odredila širina linije, što dovodi do veštački uvećane širine linije.
Da bi izbegli usrednjavanje, istraživači su primenili novu, preciznu metodu merenja koristeći komercijalni skenirajući Fabri-Perot interferometar. Studija je objavljena u Optici.
„Interferometar je omogućio neviđene nivoe detalja koji su bili prikriveni u prethodnim merenjima korišćenjem konvencionalnih tehnika“, prokomentarisao je FLEET Ph.D. student, Bianca Rae Fabricante.
Eksperimenti su otkrili da, suprotno prethodnim pretpostavkama, laser može da održava ultra usku širinu linije od 56 MHz ili 0,24 µeV, 10 puta manje od prethodno objavljenih rezultata.
Ovo stavlja polariton lasere u rang sa trenutno vodećom tehnologijom VCSELS, koja se široko koristi u prepoznavanju lica i proširenoj stvarnosti.
„Polariton laseri su potencijalno bolji od VCSELS-a za niskoenergetske aplikacije jer mogu da rade na nižim snagama“, kaže naučni saradnik FLEET dr Mateusz Krol.
Operacija male snage je moguća jer ovi laseri izvode svoju koherentnu emisiju iz makroskopski naseljenog koherentnog kvantnog stanja — bozonskog kondenzata eksciton-polaritona. Za razliku od konvencionalnih lasera koji se oslanjaju na inverziju populacije, početak laserskog zračenja se može postići pri manjim snagama pumpe.
Studija takođe dovodi u pitanje konvencionalnu mudrost pokazujući da preklapanje između koherentnog eksciton-polaritonskog kondenzata i nekoherentnog rezervoara čestica ne proširuje značajno širinu linije.
Ovo je dobra vest jer nekoherentni rezervoar uvek koegzistira sa eksiton-polaritonima i u početku se smatralo da neizbežno unosi značajnu buku u polariton laser. Studija otkriva da sve dok su polaritoni ograničeni ili zarobljeni, efekat je slab.
„Naš rad ne samo da pomera granice eksciton-polaritonske laserske tehnologije, već i otvara nove puteve za korišćenje eksciton-polaritona za klasično i kvantno računarstvo“, primetio je dr Estreho.
Uska širina linije znači dugo vreme koherentnosti, u ovom slučaju najmanje 5,7 nanosekundi.
Ovo je dovoljno vremena da se izvrši, u principu, hiljade uzastopnih operacija na izvoru lasera, makroskopskom kvantnom stanju kondenzovanih eksiton-polaritona. Ovo je kritičan korak za aplikacije polaritona za kvantnu obradu informacija.
Uticaj studije proteže se daleko izvan domena eksiton-polaritona, nudeći neprocenjiv uvid u šira polja. Povlačeći paralele sa fotonskim i atomskim laserima, istraživanje otvara put za dublje razumevanje spektra šuma i spektralnih svojstava kritičnih za različite primene.
„Još od svog otkrića, polaritonski laseri niskog praga koji ne zahtevaju inverziju populacije, čekaju na praktičnu primenu. Naša studija sugeriše da takve primene mogu biti šire nego što se ranije mislilo“, dodala je voditeljka FLEET Teme 2, prof. Elena Ostrovskaja.
