Simetria exciton-polaritônica PT: O acoplamento direto entre os modos de polariton ascendente e descendente em uma microcavidade simétrica de seis vezes com manipulação de perda leva à quebra da simetria PT com transição de fase de baixo limiar. Crédito: KAIST
Um novo laser que gera partículas quânticas pode reciclar a energia perdida para aplicações de laser altamente eficientes e de baixo limiar.
Cientistas do KAIST fabricaram um sistema de laser que gera partículas quânticas altamente interativas à temperatura ambiente. Suas descobertas, publicadas na revista Nature Photonics, pode levar a um único sistema de laser de microcavidade que requer energia de limiar mais baixa à medida que sua perda de energia aumenta.
O sistema, desenvolvido pelo físico do KAIST Yong-Hoon Cho e colegas, envolve luz brilhante através de uma única microcavidade hexagonal tratada com um substrato de nitreto de silício modulado por perda. O projeto do sistema leva à geração de um laser de polariton à temperatura ambiente, o que é excitante porque geralmente requer temperaturas criogênicas.
Os pesquisadores descobriram outra característica única e contra-intuitiva desse design. Normalmente, a energia é perdida durante a operação do laser. Mas neste sistema, à medida que a perda de energia aumentava, a quantidade de energia necessária para induzir o laser diminuía. A exploração desse fenômeno pode levar ao desenvolvimento de lasers de alta eficiência e baixo limiar para futuros dispositivos ópticos quânticos.
“Este sistema aplica um conceito de física quântica conhecido como simetria de reversão em tempo de paridade”, explica o professor Cho. “Esta é uma plataforma importante que permite que a perda de energia seja usada como ganho. Ele pode ser usado para reduzir a energia do limiar do laser para dispositivos e sensores ópticos clássicos, bem como dispositivos quânticos e controlar a direção da luz.”
A chave é o design e os materiais. A microcavidade hexagonal divide as partículas de luz em dois modos diferentes: um que passa pelo triângulo voltado para cima do hexágono e outro que passa pelo triângulo voltado para baixo. Ambos os modos de partículas de luz têm a mesma energia e caminho, mas não interagem entre si.
No entanto, as partículas de luz interagem com outras partículas chamadas excitons, fornecidas pela microcavidade hexagonal, que é feita de semicondutores. Essa interação leva à geração de novas partículas quânticas chamadas polaritons que interagem umas com as outras para gerar o laser polariton. Ao controlar o grau de perda entre a microcavidade e o substrato semicondutor, surge um fenômeno intrigante, com o limiar de energia se tornando menor à medida que a perda de energia aumenta.
Referência: “Room-temperature polaritonic non-Hermitian system with single microcavity” por Hyun Gyu Song, Minho Choi, Kie Young Woo, Chung Hyun Park e Yong-Hoon Cho, 10 de junho de 2021, Nature Photonics.
DOI: 10.1038 / s41566-021-00820-z
Esta pesquisa foi apoiada pela Samsung Science and Technology Foundation e pela National Research Foundation da Coréia.
