斯坦福物理学家开发电动波的Polariton激光器

在光学长凳上的物理学家Na Young Kim是国际团队的成员，已展示革命性的电动波利亚激光器，可以显着提高激光器的效率。

利用玻色子的独特物理性质，斯坦福物理学家创造了一种电气驱动的极性激光器，其使用比传统激光器更低的功率，并且可以在消费品到量子计算机的许多地方使用一天。

激光是现代社会的一个看不见的骨干。它们对于从高速互联网服务到蓝光球员的技术。

然而，物理供电激光器通过50年来仍然相对不变。现在，由斯坦福的Yoshihisa Yamamoto领导的国际研究团队是电气工程教授和应用物理学领导的，已经展示了一种革命性的电动波动激光器，可以显着提高激光器的效率。

该系统利用玻色子的独特物理性质，科学家试图纳入激光器几十年来的亚原子粒子。

“我们已经巩固了我们的身体理解，现在是时候考虑如何将这些激光融入实践的时候，”斯坦福大学团队的成员的物理学家Nay Young Kim说。“这是一个令人兴奋的时代，以想象这种新物理学如何导致新颖的工程。”

Kim表示，电动波极化激光器将使用传统激光器的百分之一来操作，并且可以在消费品到量子计算机的许多地方使用一天。

这项工作详述于5月16日的自然问题，并与东京，日本的国家信息学会和德国威尔兹堡大学的团队合作进行的，由物理学家阿尔弗雷德·福科队领导。

爱因斯坦和电子

所有激光都是基于爱因斯坦的受刺激发射原则。带电粒子，例如电子，在梯子上的梯级上存在不连续的能量水平。提供足够能量的电子可以兴奋，并“跳跃”达到更高的能级。激发的电子可以自发地倒入可用的较低能级，从一个名为光子的光的光射出能量的差异。

在激励电子之前通过并释放光子的时间量通常是随机的。然而，爱因斯坦预测，如果在具有适当的能量的上部能量水平的电子暴露于光子中，则电子将立即下降并释放与第一的光子相同的第二光子。

激光通过不断为电子提供能量来保持该过程以移动到更高的能级。随着越来越多的电子被刺激以释放光子，额外的光子刺激越来越多的电子。允许一些光子从装置逸出以用于任意目的，例如读取CD或蚀刻电路板的数据。

然而，该过程效率低下。对于在任何给定的时间，可以居住在任何时间的电子的电子数量存在硬限制，并且传统的激光器浪费能量不必要地激励电子，即使当较低的水平太满时，也可以在它们落下时接受激发激发的电子。 。

令人兴奋的激情

然而，Kim的Polariton激光器对具有所谓的“孔”的电子，以形成另一种类型的颗粒，激子。孔是一个间隙，其中电子可以存在于结构中，并且物理学家作为真实的单独颗粒处理。

这些激子是玻色子，无限数量可以居住任何给定的能量水平。几十年来，在激光中使用玻色子一直是一个科学目标，但Yamamoto的团队是第一个使用玻色子成功构建电动激光器的团队。（结果最近被密歇根大学的科学家复制和证实，他在日志物理审查信中公布了他们的工作。）

这种变化大大减少了运行激光所需的功率量。Polariton激光器的电流迭代比相当的常规激光器的能量少需要两到五倍，但是在未来可能需要100倍的能量。

“结果看起来与传统的光子激光器类似，但内部的物理机制非常不同，”金说。

激光器由电子储存器和孔储存器组成。当应用电流时，电子和孔一起聚集在激发能级中的激子。当光子撞击激子时，它形成极性磁性并发出相同的光子。

Kim说，整个过程就像反向太阳能电池一样。

“在太阳能电池中，你用光来形成激子，并将它们分成电子和孔，”她说。“我们将电子和孔汇集在一起​​以发光。”

电驱动的极性激光激光器的一个优点是它只需要附接到电源以发射光子，允许其在未来容易地与现有的半导体芯片集成。

凉爽的温度和技术

目前的Polariton激光器可以仅在寒冷的4摄氏度（减去452华氏度）时运行，并且需要液氦恒定冷却，以防止砷化镓半导体内的激子被热能拉开。

该团队希望切换到需要更多能量打破激动子的材料将使他们能够在室温下建立Polariton激光器，这是广泛使用的重要一步。

“我们希望我们可以在未来用这些Polariton激光器取代传统的半导体激光器，”Kim说。“在途中有很多障碍，但我们的目标是提起建立在健全物理理解的新颖设备以获得成本效益和高效的功耗。”

Stanford研究人员已经使用Polariton激光器开发量子计算机和量子模拟器。Kim认为，在未来五到10年内，科学界以外的人将获得类似的激光。

该研究得到了国家科学基金会，DARPA Quest计划，通过其“世界领先的创新科技（第一计划）和巴伐利亚州的”融资计划“和”世界领先的创新研发“和”授予科学“和”巴伐利亚州“。

出版物：Christian Schneider等，“一种电动泵浦的Polariton激光器”，Nature 497,348-352，2013年5月16日）; DOI：10.1038 / Nature12036

图像：洛杉矶西塞罗