Лазерный мир

Известно, что лазеры, устройства, излучающие когерентный и монохроматический свет с определенной длиной волны, широко используются в настоящее время в самых различных областях. Медики используют лазеры для коррекции зрения, свет лазеров позволяет просканировать покупки, приобретенные в ближайшем супермаркете, а количество областей применения лазеров в науке вообще тяжело поддается исчислению. В большинстве случаев для удовлетворения всех насущных потребностей достаточно возможностей традиционных лазеров, не отличающихся сверхвысокой стабильностью и эффективностью. Однако, в некоторых областях, к примеру, в квантовых вычислениях, энергия света относительно мощного лазера может разрушить хрупкое состояние квантовой системы. Поэтому ученые на протяжении уже 40 лет занимались поисками эффективных, миниатюрных и стабильных микроволновых лазеров, энергия излучения которых не наносит большого ущерба чрезвычайно холодной окружающей среде, в которой приходится работать большинству современных квантовых технологий.

Новый тип микроскопического микроволнового лазера удалось разработать группе Лео Кувенховена (Leo Kouwenhoven) из Технологического университета Дельфта (TU Delft). В основе принципа работы этого лазера лежит один из фундаментальных эффектов, связанный с явлением сверхпроводимости, так называемый переход Джозефсона (Josephson junction). Переход Джозефсона возникает в месте тонкого разрыва сверхпроводящего проводника. При приложении к этому переходу электрического напряжения определенной величины через него начинает течь электрический ток. Этот ток возникает за счет эффекта квантового туннелирования электронов и он имеет импульсных характер. Частота импульсов этого тока зависит от величины приложенного напряжения и от массы других внешних факторов, что делает переход Джозефсона идеальным чувствительным элементом и преобразователем для различных датчиков.

Researchers demonstrate new type of laser
Lasers are everywhere nowadays: Doctors use them to correct eyesight, cashiers to scan your groceries, and quantum scientist to control qubits in the future quantum computer. For most applications, the current bulky, energy-inefficient lasers are fine, but quantum scientist work at extremely low temperatures and on very small scales. For over 40 years, they have been searching for efficient and precise microwave lasers that will not disturb the very cold environment in which quantum technology works.

A team of researchers led by Leo Kouwenhoven at TU Delft has demonstrated an on-chip microwave laser based on a fundamental property of superconductivity, the ac Josephson effect. They embedded a small section of an interrupted superconductor, a Josephson junction, in a carefully engineered on-chip cavity. Such a device opens the door to many applications in which microwave radiation with minimal dissipation is key, for example in controlling qubits in a scalable quantum computer.

Read more at: https://phys.org/news/2017-03-laser.html#jCp

Однако ученым удалось превратить единственный переход Джозефсона в высококачественный стабильный микроволновый лазер, размер которого сопоставим с размером муравья. По аналогии с обычными лазерами, переход Джозефсона в данном случае выступает в роли единственного атома, помещенного во впадину оптического резонатора. Края этой впадины работают в качестве зеркал традиционного лазера, а резонансная частота впадины соответствует частоте микроволновых фотонов, излучаемых переходом Джозефсона. Устройство охлаждается до сверхнизкой, менее одного градуса Кельвина, температуры и к переходу Джозефсона прикладывается определенное электрическое напряжение. Переход начинает испускать микроволновые фотоны, которые, как в обычном лазере, отражаются от зеркал и вынуждают переход излучать другие фотоны, синхронизированные по фазе и углу поляризации с ранее излученными фотонами.

В результате работы такого лазера он излучает луч, состоящий из следующих друг за другом микроволновых фотонов. Поскольку лазер изготовлен из сверхпроводящих материалов, то для его работы требуются совсем крохи, менее одного пикоВатта, энергии.

Помимо высокой стабильности работы и малого количества потребляемой энергии, созданный учеными лазер на переходе Джозефсона подходит для его интеграции на кристаллы чипов квантовых и других систем. Более того, режимом работы этого лазера можно легко управлять традиционными электрическими способами. И что особо важно, такой лазер может использоваться для получения «сжатого по амплитуде» света, который, в свою очередь, используется в протоколах квантовых коммуникационных и вычислительных системах.

Источник: http://www.dailytechinfo.org/news/9051-uchenym-udalos-sozdat-mikrovolnovyy-lazer-novogo-tipa.html