Symétrie PT Exciton-polaritonique : Le couplage direct entre les modes de polaritons ascendants et descendants dans une microcavité symétrique sextuple avec manipulation des pertes conduit à la rupture de la symétrie PT avec une transition de phase à faible seuil. Crédit : KAIST
Un nouveau laser qui génère des particules quantiques peut recycler l'énergie perdue pour des applications laser à faible seuil hautement efficaces.
Les scientifiques de KAIST ont fabriqué un système laser qui génère des particules quantiques hautement interactives à température ambiante. Leurs conclusions, publiées dans la revue Nature Photonics, pourrait conduire à un système laser à microcavité unique qui nécessite une énergie de seuil inférieure à mesure que sa perte d'énergie augmente.
Le système, développé par le physicien de KAIST Yong-Hoon Cho et ses collègues, consiste à faire passer de la lumière à travers une seule microcavité de forme hexagonale traitée avec un substrat de nitrure de silicium à perte modulée. La conception du système conduit à la génération d'un laser à polaritons à température ambiante, ce qui est passionnant car cela nécessite généralement des températures cryogéniques.
Les chercheurs ont découvert une autre caractéristique unique et contre-intuitive de cette conception. Normalement, de l'énergie est perdue pendant le fonctionnement du laser. Mais dans ce système, à mesure que la perte d'énergie augmentait, la quantité d'énergie nécessaire pour induire le laser diminuait. L'exploitation de ce phénomène pourrait conduire au développement de lasers à haut rendement et à faible seuil pour les futurs dispositifs optiques quantiques.
« Ce système applique un concept de physique quantique connu sous le nom de symétrie d'inversion du temps de parité », explique le professeur Cho. « Il s'agit d'une plate-forme importante qui permet d'utiliser la perte d'énergie comme gain. Il peut être utilisé pour réduire l'énergie de seuil laser pour les dispositifs et capteurs optiques classiques, ainsi que pour les dispositifs quantiques et contrôler la direction de la lumière.
La clé est la conception et les matériaux. La microcavité hexagonale divise les particules lumineuses en deux modes différents : un qui traverse le triangle orienté vers le haut de l'hexagone et un autre qui traverse son triangle orienté vers le bas. Les deux modes de particules lumineuses ont la même énergie et le même chemin mais n'interagissent pas les uns avec les autres.
Cependant, les particules légères interagissent avec d'autres particules appelées excitons, fournies par la microcavité hexagonale, constituée de semi-conducteurs. Cette interaction conduit à la génération de nouvelles particules quantiques appelées polaritons qui interagissent ensuite les unes avec les autres pour générer le laser à polaritons. En contrôlant le degré de perte entre la microcavité et le substrat semi-conducteur, un phénomène intrigant se produit, l'énergie seuil devenant plus petite à mesure que la perte d'énergie augmente.
Référence : « Room-temperature polaritonic non-Hermitian system with single microcavity » par Hyun Gyu Song, Minho Choi, Kie Young Woo, Chung Hyun Park et Yong-Hoon Cho, 10 juin 2021, Nature Photonics.
DOI: 10.1038 / s41566-021-00820-z
Cette recherche a été soutenue par la Samsung Science and Technology Foundation et la National Research Foundation de Corée.
