Ученые нашли способ, как снизить энергопотребление лазера в 250 раз

Научные сотрудники Мичиганского университета, возможно, совершили самое важное продвижение в разработке лазерных исследований с момента изобретения полупроводниковых диодов в 1950-х годах прошлого века. Ученые обещают создать новый тип лазеров, которые потребляют в 250 раз меньше энергии, чем те лазеры, которые наука и техника используют сегодня.

В обычных лазерах свет, или чаще электрический ток, накапливается в так называемой усиливающей среде, для того чтобы увеличить мощность сигнала. Перед этим заполнением большинство электронов в усиливающей среде пребывают в своем обычном энергетическом состоянии, или состоянии покоя. Однако когда свет или ток в них ударяет, электроны впитывают в себя энергию и становятся более активными. В какой-то момент высокозаряженных электронов в усиливающей среде становится больше, чем низкозаряженных, и происходит инверсия заселенности. Теперь любой свет или ток, проходящий через эту среду, вызывает у электронов обратный эффект. Появляется больше электронов в спокойном состоянии, а излишняя энергия высвобождается в виде лазерного света.

Однако лазер, разработанный в Мичиганском университете, не использует традиционную усиливающую среду для работы. Вместо нее здесь задействуется уникальная частица поляритрон, одновременно обладающая свойствами света и материи.

«Поляритрон является комбинацией фотона, или частицы света, а также экситона, образующих электронно-дырочную пару. И хотя электрон является отрицательно заряженной частицей, наличие дырок (квазичастиц, носителей положительного заряда) заставляет его вести себя как положительно заряженную частицу. Экситоны здесь смешиваются с легкими частицами только при определенных условиях. Если подать слишком много света или электрического заряда, экситоны распадутся раньше времени. Однако при правильном заряде образуются поляритроны, которые заполняют всю систему до тех пор, пока не достигнут единого со средой состояния низкого энергетического уровня. После чего поляритроны распадаются и в результате этого процесса выбрасывают одноцветный луч света», — объясняют Паллаб Бхаттачария, создатель изобретения и заслуженный профессор электромеханики и компьютерных наук, а также Джеймс Р. Меллор, профессор прикладной инженерии в Мичиганском университете.

Ученые Мичиганского университета продемонстрировали первый в мире поляритронный лазер, создающий световые лучи энергоэффективнее, чем обычные лазеры. Для создания подобного, ученые предлагают использовать инновационную структуру лезерной установки, которая подразумевает изменение положения зеркал сверху и снизу устройства и установки их по бокам. Зеркала на картинке выше показаны серым цветом. Желтым цветом показан электрод, через который исследователи выводят лазер. Фиолетовым цветом отмечен полупроводник из нитрида галлия, который создает идеальные условия для формирования поляритронов, излучающих свет.

Систему Бхаттачарии технически нельзя назвать лазером, то есть термином, который первоначально являлся аббревиатурой понятия «усиление света посредством вынужденного излучения». Поляритронные лазеры не создают излучение, они рассеивают поляритроны. И для этой задачи профессор и его коллеги подобрали нужный материал — прозрачный полупроводник из нитрида галлия, обладающий уникальной структурой, позволяющей манипулировать ее состоянием, для того чтобы поляритроны сначала сами формировались, а затем и создавали свет.

Для проверки системы ученые создали ультрафиолетовый луч, потребляющий менее одной миллионной доли ватт. Для сравнения лазер, который используется в CD-проигрывателях, требует одну тысячную долю ватт энергии. Разница колоссальная.

Команде ученых предстоит еще немало работы для вывода этой технологии за пределы лаборатории, однако специалисты надеются, что однажды такие лазеры смогут заменить провода и помогут в создании еще более компактных, легких и более долговечных потребительских продуктов и медицинских устройств.