“400” height=”300″ src=”https://scitechdaily.com/images/Physicists-Develop-Revolutionary-Low-Power-Polariton-Laser.jpg” />
Fisikawan Na Young Kim, di bangku optik, adalah anggota tim internasional yang telah mendemonstrasikan laser polariton berpenggerak listrik revolusioner yang dapat meningkatkan efisiensi laser secara signifikan.
Memanfaatkan sifat fisik boson yang unik, fisikawan Stanford telah menciptakan laser polariton yang digerakkan secara elektrik yang menggunakan daya lebih kecil daripada laser konvensional dan suatu hari nanti dapat digunakan di banyak tempat mulai dari barang konsumen hingga komputer kuantum.
Laser adalah tulang punggung masyarakat modern yang tak terlihat. Mereka merupakan bagian integral dari teknologi mulai dari layanan Internet berkecepatan tinggi hingga pemutar Blu-ray.
Namun, laser yang menggerakkan fisika tetap relatif tidak berubah selama 50 tahun penggunaan. Sekarang, tim peneliti internasional yang dipimpin oleh Yoshihisa Yamamoto dari Stanford, seorang profesor teknik elektro dan fisika terapan, telah mendemonstrasikan laser polariton bertenaga listrik revolusioner yang dapat meningkatkan efisiensi laser secara signifikan.
Sistem ini memanfaatkan sifat fisik unik boson, partikel subatom yang telah dicoba dimasukkan oleh para ilmuwan ke dalam laser selama beberapa dekade.
“Kami telah memantapkan pemahaman fisik kami, dan sekarang saatnya kami berpikir tentang bagaimana mempraktikkan laser ini,” kata fisikawan Na Young Kim, anggota tim Stanford. “Ini adalah era yang menarik untuk membayangkan bagaimana fisika baru ini dapat mengarah pada rekayasa baru.”
Laser polariton yang digerakkan secara elektrik, kata Kim, akan beroperasi menggunakan seperseratus kekuatan laser konvensional dan suatu hari nanti dapat digunakan di banyak tempat mulai dari barang konsumen hingga komputer kuantum.
Pekerjaan ini dirinci dalam Nature edisi 16 Mei, dan dilakukan bekerja sama dengan Institut Informatika Nasional di Tokyo, Jepang, dan tim dari Universitas Würzburg di Jerman, dipimpin oleh fisikawan Alfred Forchel.
Einstein dan elektron
Semua laser didasarkan pada prinsip emisi terstimulasi Einstein. Partikel bermuatan, seperti elektron, berada dalam tingkat energi terputus-putus seperti anak tangga pada tangga. Elektron yang diberikan energi yang cukup dapat menjadi tereksitasi dan “melompat” ke tingkat energi yang lebih tinggi. Elektron yang tereksitasi dapat secara spontan jatuh ke tingkat energi yang lebih rendah yang tersedia, menembakkan perbedaan energi sebagai sedikit cahaya yang disebut foton A adalah partikel cahaya. Ini adalah unit dasar cahaya dan radiasi elektromagnetik lainnya, dan bertanggung jawab atas gaya elektromagnetik, salah satu dari empat gaya dasar alam. Foton tidak memiliki massa, tetapi memiliki energi dan momentum. Mereka bergerak dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa, dan dapat memiliki panjang gelombang yang berbeda, yang sesuai dengan warna cahaya yang berbeda. Foton juga dapat memiliki energi yang berbeda, yang sesuai dengan frekuensi cahaya yang berbeda.
foton.
Jumlah waktu yang berlalu sebelum elektron tereksitasi turun dan melepaskan foton biasanya acak. Namun, Einstein meramalkan bahwa jika sebuah elektron pada tingkat energi yang lebih tinggi terkena foton dengan energi yang tepat, elektron akan langsung jatuh dan melepaskan foton kedua yang identik dengan yang pertama.
Laser membuat proses ini terus berjalan dengan terus memberikan energi bagi elektron untuk bergerak ke tingkat energi yang lebih tinggi. Karena semakin banyak elektron distimulasi untuk melepaskan foton, foton tambahan akan merangsang semakin banyak elektron. Beberapa foton dibiarkan lepas dari perangkat untuk melayani suatu tujuan, seperti membaca data dari CD atau mengetsa papan sirkuit.
Namun, prosesnya tidak efisien. Ada batasan pasti untuk jumlah elektron yang dapat menghuni tingkat energi tertentu pada waktu tertentu, dan laser konvensional membuang energi yang tidak perlu menarik elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi bahkan ketika tingkat yang lebih rendah terlalu penuh untuk menerima elektron tereksitasi ketika mereka jatuh. .
Kegembiraan yang mengasyikkan
Laser polariton Kim, bagaimanapun, memasangkan elektron dengan apa yang disebut “lubang” untuk membentuk jenis partikel lain, sebuah exciton. Lubang adalah celah di mana elektron dapat eksis dalam suatu struktur dan diperlakukan oleh fisikawan sebagai partikel nyata yang terpisah.
Rangsangan ini adalah boson, dan jumlah yang tidak terbatas dapat menghuni tingkat energi tertentu. Menggunakan boson dalam laser telah menjadi tujuan ilmiah selama beberapa dekade, tetapi tim Yamamoto adalah yang pertama berhasil membangun laser yang digerakkan secara elektrik menggunakan boson. (Hasilnya baru-baru ini direproduksi dan dikonfirmasi oleh para ilmuwan di University of Michigan, yang menerbitkan karya mereka di jurnal Physical Review Letters.)
Perubahan ini secara drastis mengurangi jumlah daya yang dibutuhkan untuk menjalankan laser. Iterasi laser polariton saat ini membutuhkan energi dua hingga lima kali lebih sedikit daripada laser konvensional yang sebanding, tetapi dapat membutuhkan energi 100 kali lebih sedikit di masa mendatang.
“Hasilnya akan terlihat mirip dengan laser foton tradisional, tetapi mekanisme fisik di dalamnya sangat berbeda,” kata Kim.
Laser terdiri dari reservoir elektron dan reservoir lubang. Ketika arus diterapkan, elektron dan lubang berkumpul untuk membentuk rangsangan pada tingkat energi tereksitasi. Ketika foton mengenai exciton, ia membentuk polariton dan memancarkan foton yang identik.
Seluruh proses itu seperti sel surya terbalik, kata Kim.
“Dalam sel surya, Anda menggunakan cahaya untuk membentuk rangsangan dan memisahkannya menjadi elektron dan lubang secara elektrik,” katanya. “Kami menyatukan elektron dan lubang secara elektrik untuk memancarkan cahaya.”
Salah satu manfaat dari laser polariton yang digerakkan secara elektrik adalah hanya perlu disambungkan ke catu daya untuk memancarkan foton, memungkinkannya untuk dengan mudah diintegrasikan dengan chip semikonduktor yang ada di masa mendatang.
Temperatur dan teknologi yang keren
Laser polariton saat ini hanya dapat berjalan pada suhu dingin 4 derajat Kelvin (minus 452 derajat). Skala Fahrenheit adalah skala suhu, dinamai dari fisikawan Jerman Daniel Gabriel Fahrenheit dan berdasarkan yang dia usulkan pada tahun 1724. Dalam skala suhu Fahrenheit, titik beku titik air membeku adalah 32 °F dan air mendidih pada suhu 212 °F, pemisahan 180 °F, sebagaimana ditentukan pada permukaan laut dan tekanan atmosfer standar.
Fahrenheit) dan membutuhkan pendinginan konstan dengan helium cair untuk mencegah rangsangan di dalam galium arsenida Semikonduktor adalah jenis bahan yang memiliki konduktivitas listrik antara konduktor (seperti tembaga) dan isolator (seperti karet). Semikonduktor digunakan dalam berbagai perangkat elektronik, termasuk transistor, dioda, sel surya, dan terintegrasi sirkuit Konduktivitas listrik dari semikonduktor dapat dikontrol dengan menambahkan kotoran ke bahan melalui proses yang disebut doping Silikon adalah bahan yang paling banyak digunakan untuk perangkat semikonduktor, tetapi bahan lain seperti gallium arsenide dan indium phosphide juga digunakan dalam aplikasi tertentu. .
semikonduktor agar tidak ditarik terpisah oleh energi panas.
Tim berharap beralih ke bahan yang membutuhkan lebih banyak energi untuk memecah rangsangan akan memungkinkan mereka membangun laser polariton yang bekerja pada suhu kamar, sebuah langkah penting menuju penggunaan luas.
“Kami berharap dapat mengganti laser semikonduktor konvensional dengan laser polariton ini di masa mendatang,” kata Kim. “Ada banyak rintangan yang menghadang, tetapi kami bertujuan untuk menghadirkan perangkat baru yang dibuat berdasarkan pemahaman fisik yang baik untuk penghematan biaya dan konsumsi daya yang efisien.
”
Laser polariton sudah digunakan oleh para peneliti Stanford yang mengembangkan komputer kuantum dan simulator kuantum. Kim yakin laser serupa akan tersedia bagi mereka yang berada di luar komunitas ilmiah dalam lima hingga 10 tahun ke depan.
Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation, yang Dibentuk pada tahun 1958 (sebagai ARPA), Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) adalah sebuah badan dari Departemen Pertahanan Amerika Serikat yang bertanggung jawab atas pengembangan teknologi baru untuk digunakan oleh militer. . DARPA merumuskan dan melaksanakan proyek-proyek penelitian dan pengembangan untuk memperluas batas-batas teknologi dan ilmu pengetahuan, seringkali di luar persyaratan langsung militer AS, dengan berkolaborasi dengan mitra akademik, industri, dan pemerintah.
Program DARPA QUEST, Masyarakat Jepang untuk Promosi Ilmu Pengetahuan melalui “Program Pendanaan untuk R&D Inovasi Terdepan di Dunia tentang Sains dan Teknologi (Program PERTAMA) dan Negara Bagian Bavaria.
Publikasi: Christian Schneider, et al., “Laser polariton yang dipompa secara elektrik,” Nature 497, 348–352, (16 Mei 2013); doi:10.1038/nature12036
Gambar: LA Cicero
