Pesquisadores da Universidade da Califórnia em San Diego demonstraram o primeiro laser do mundo baseado em um fenômeno não convencional da física de ondas chamado de estados vinculados no continuum. A tecnologia pode revolucionar o desenvolvimento de lasers de superfície, tornando-os mais compactos e eficientes em termos de energia para aplicações de comunicação e computação. Os novos lasers BIC também podem ser desenvolvidos como lasers de alta potência para aplicações industriais e de defesa.

"Lasers são onipresentes no mundo atual, de simples ponteiros de laser do dia-a-dia a complexos interferômetros de laser usados ​​para detectar ondas gravitacionais. Nossa pesquisa atual terá impacto em muitas áreas de aplicações de laser, "disse Ashok Kodigala, um Ph.D. em engenharia elétrica. estudante da UC San Diego e primeiro autor do estudo.

"Porque eles não são convencionais, Os lasers BIC oferecem propriedades únicas e sem precedentes que ainda não foram realizadas com as tecnologias de laser existentes, "disse Boubacar Kanté, professor de engenharia elétrica da Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs que liderou a pesquisa.

Por exemplo, Os lasers BIC podem ser prontamente ajustados para emitir feixes de diferentes comprimentos de onda, um recurso útil para lasers médicos feitos para atingir com precisão as células cancerosas sem danificar o tecido normal. Os lasers BIC também podem ser feitos para emitir feixes com formas especialmente projetadas (espiral, donut ou curva em forma de sino) - chamados de feixes de vetores - que podem permitir computadores e sistemas de comunicação óptica cada vez mais poderosos que podem transportar até 10 vezes mais informações do que os existentes.

"Fontes de luz são componentes-chave da tecnologia de comunicação de dados ópticos em telefones celulares, computadores e astronomia, por exemplo. Nesse trabalho, apresentamos um novo tipo de fonte de luz que é mais eficiente do que o que está disponível hoje em termos de consumo de energia e velocidade, "disse Babak Bahari, um Ph.D. em engenharia elétrica. aluno do laboratório de Kanté e co-autor do estudo.

Estados limitados no continuum (BICs) são fenômenos cuja existência foi prevista desde 1929. BICs são ondas que permanecem perfeitamente confinadas, ou vinculado, em um sistema aberto. Ondas convencionais em um escape de sistema aberto, mas os BICs desafiam essa norma - eles permanecem localizados e não escapam, apesar de terem caminhos abertos para isso.

Em um estudo anterior, Kanté e sua equipe demonstraram, em frequências de microondas, que os BICs podem ser usados ​​para capturar e armazenar luz de forma eficiente para permitir uma forte interação luz-matéria. Agora, eles estão aproveitando os BICs para demonstrar novos tipos de lasers. A equipe publicou o trabalho em 12 de janeiro em Natureza .

Fazendo o laser BIC

O laser BIC neste trabalho é construído a partir de uma membrana semicondutora fina feita de índio, gálio, arsênio e fósforo. A membrana é estruturada como uma série de cilindros de tamanho nanométrico suspensos no ar. Os cilindros são interconectados por uma rede de pontes de suporte, que fornecem estabilidade mecânica ao dispositivo.

Ao alimentar a membrana com um feixe de laser de alta frequência, os pesquisadores induziram o sistema BIC a emitir seu próprio feixe de laser de baixa frequência (na frequência de telecomunicação).

"Agora mesmo, esta é uma demonstração de prova de conceito de que podemos realmente alcançar a ação lasing com BICs, "Kanté disse.

"E o que é notável é que podemos fazer com que o laser de superfície ocorra com matrizes tão pequenas quanto 8 × 8 partículas, "disse ele. Em comparação, os lasers de superfície que são amplamente usados ​​em comunicações de dados e detecção de alta precisão, chamados VCSELs (lasers emissores de superfície de cavidade vertical), precisa de arrays muito maiores (100 vezes) - e, portanto, mais potência - para obter lasing.

"O popular VCSEL pode um dia ser substituído pelo que estamos chamando de 'BICSEL' - estado vinculado ao laser de emissão de superfície contínuo, o que pode levar a dispositivos menores que consomem menos energia, "Kanté disse. A equipe entrou com uma patente para o novo tipo de fonte de luz.

A matriz também pode ser ampliada em tamanho para criar lasers de alta potência para aplicações industriais e de defesa, ele notou. "Um desafio fundamental em lasers de alta potência é o aquecimento e as eficiências previstas de nossos lasers BIC, uma nova era de tecnologias a laser pode se tornar possível, "Kanté disse.

O próximo passo da equipe é fazer lasers BIC que são alimentados eletricamente, em vez de opticamente alimentado por outro laser. "Um laser eletricamente bombeado é facilmente portátil fora do laboratório e pode funcionar com uma fonte de bateria convencional, "Kanté disse.