p Lasers são amplamente utilizados em eletrodomésticos, Medicina, indústria, telecomunicações e muito mais. Vários anos atrás, cientistas introduziram nanolasers. Seu projeto é semelhante ao dos lasers semicondutores convencionais baseados em heteroestruturas de uso comum há várias décadas. A diferença é que as cavidades dos nanolasers são extremamente pequenas, na ordem do comprimento de onda da luz que emitem. Uma vez que eles geram principalmente luz visível e infravermelha, o tamanho é da ordem de um milionésimo de metro. p Nanolasers têm propriedades únicas notavelmente diferentes daquelas dos lasers macroscópicos. Contudo, é quase impossível determinar em que corrente a radiação de saída do nanolaser se torna coerente; Adicionalmente, para aplicações práticas, é importante distinguir entre os dois regimes do nanolaser:a verdadeira ação laser com uma saída coerente em altas correntes, e o regime do tipo LED com saída incoerente em baixas correntes. Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou desenvolveram um método para determinar em que circunstâncias os nanolasers se qualificam como verdadeiros lasers. A pesquisa foi publicada em Optics Express .

p No futuro próximo, nanolasers serão incorporados em circuitos ópticos integrados, onde eles são necessários para uma nova geração de interconexões de alta velocidade com base em guias de ondas fotônicas, o que aumentaria o desempenho de CPUs e GPUs em várias ordens de magnitude. De maneira semelhante, o advento da internet de fibra ótica aumentou as velocidades de conexão, ao mesmo tempo em que aumenta a eficiência energética.

p E esta não é, de longe, a única aplicação possível dos nanolasers. Os pesquisadores já estão desenvolvendo sensores químicos e biológicos, meros milionésimos de um metro de largura, e sensores de estresse mecânico tão pequenos quanto vários bilionésimos de um metro. Nanolasers também devem ser usados ​​para controlar a atividade dos neurônios em organismos vivos, incluindo humanos.

p Para que uma fonte de radiação seja qualificada como um laser, precisa cumprir uma série de requisitos, o principal é que deve emitir radiação coerente. Uma propriedade distinta que está intimamente associada à coerência é a presença do chamado limite de laser. Em correntes de bomba abaixo deste valor limite, a radiação de saída é principalmente espontânea e não difere em suas propriedades da saída de diodos emissores de luz convencionais (LEDs). Mas uma vez que o limite de corrente é alcançado, a radiação torna-se coerente. Neste ponto, o espectro de emissão de um laser macroscópico convencional diminui e sua potência de saída aumenta. A última propriedade fornece uma maneira fácil de determinar o limite de laser - ou seja, investigando como a potência de saída varia com a corrente da bomba (figura 1A).

p Muitos nanolasers se comportam da mesma forma que suas contrapartes macroscópicas convencionais, exibindo uma corrente de limiar. Contudo, para alguns dispositivos, um limite de laser não pode ser identificado analisando a potência de saída em relação à curva de corrente da bomba, uma vez que não tem características especiais e é apenas uma linha reta na escala log-log (linha vermelha na figura 1B). Esses nanolasers são conhecidos como "sem limiar". Isso apresenta a questão:em qual corrente sua radiação se torna coerente, ou semelhante a laser?

p A maneira óbvia de responder a isso é medindo a coerência. Contudo, ao contrário do espectro de emissão e potência de saída, a coerência é muito difícil de medir no caso de nanolasers, uma vez que isso requer equipamento capaz de registrar flutuações de intensidade em trilionésimos de segundo, que é a escala de tempo em que ocorrem os processos internos em um nanolaser.

p Andrey Vyshnevyy e Dmitry Fedyanin, do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, encontraram uma maneira de contornar as medições de coerência direta tecnicamente desafiadoras. Eles desenvolveram um método que usa os principais parâmetros do laser para quantificar a coerência da radiação do nanolaser. Os pesquisadores afirmam que sua técnica permite determinar a corrente de limiar para qualquer nanolaser (figura 1B). Eles descobriram que mesmo um nanolaser "sem limiar" de fato tem uma corrente de limiar distinta que separa o LED dos regimes de laser. A radiação emitida é incoerente abaixo deste limite atual e coerente acima dele.

p Surpreendentemente, o limite de corrente de um nanolaser acabou por não estar relacionado de forma alguma às características da característica de saída ou ao estreitamento do espectro de emissão, que são sinais indicadores do limiar de laser em lasers macroscópicos. A Figura 1B mostra claramente que, mesmo que uma torção bem pronunciada seja vista na característica de saída, a transição para o regime de laser ocorre em correntes mais altas. Isso é o que os cientistas de laser não poderiam esperar dos nanolasers.

p "Nossos cálculos mostram que, na maioria dos artigos sobre nanolasers, o regime de laser não foi alcançado. Apesar de pesquisas realizando medições acima da torção na característica de saída, a emissão do nanolaser era incoerente, uma vez que o limite de laser real estava em ordens de magnitude acima do valor de torção, "Dmitry Fedyanin diz." Muitas vezes, era simplesmente impossível alcançar uma saída coerente devido ao autoaquecimento do nanolaser, "Andrei Vyshnevyy acrescenta.

p Portanto, é muito importante distinguir o limite de laser ilusório do real. Embora as medições de coerência e os cálculos sejam difíceis, Vyshnevyy e Fedyanin criaram uma fórmula simples que pode ser aplicada a qualquer nanolaser. Usando esta fórmula e a característica de saída, Os engenheiros do nanolaser agora podem medir rapidamente a corrente de limiar das estruturas que eles criam (veja a figura 2).

p As descobertas relatadas por Vyshnevyy e Fedyanin permitem prever com antecedência o ponto em que a radiação de um nanolaser - independentemente de seu design - torna-se coerente. Isso permitirá que os engenheiros desenvolvam de forma determinística lasers em nanoescala com propriedades predeterminadas e coerência garantida.