Лазерный мир

Международная группа ученых смоделировала и провела эксперимент, в ходе которого удалось реализовать поляритонный лазер с электрической спин-поляризованной накачкой. Это привело к снижению энергопотребления лазера, а также позволило управлять поляризацией выходного излучения. Добиться этого удалось за счет использования магнитных материалов в качестве контактов устройства: при этом электроны, попадающие в лазер, имели предпочтительное направление спина, совпадающие с направлением намагниченности контактов, что и приводило к эффективной спиновой накачке. Поляритонные лазеры очень перспективны как раз за счет того, что для них не требуются высокие мощности. Кроме того, они работают при комнатных температурах. Благодаря этому их можно использовать в портативной электронике, оптических компьютерах, средствах связи. Результаты эксперимента были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Основным практически значимым преимуществом поляритонных лазеров на сегодняшний день является их крайне низкое энергопотребление. Работа обычного лазера основана на эффекте стимулированного излучения: если в электрон, находящийся в возбужденном высокоэнергичном состоянии попадает фотон, электрон «сваливается» в низкоэнергетичное состояние, и вылетают два фотона, идентичных падающему. Каскад таких процессов приводит к образованию большого числа идентичных, когерентных фотонов, формирующих лазерное излучение.

Для установления режима лазерной генерации необходимо выполнение условия инверсии заселенности: концентрация электронов на высокоэнергетичном уровне должна быть выше, чем на низкоэнергетичном. Таким образом необходимо «вкачать» в систему дополнительную энергию, необходимую для заброса достаточного количества электронов на высокоэнергетические уровни. Минимальное количество энергии, необходимое для установления лазерного излучения, и называется порогом генерации: эта величина в частности определяет минимальное энергопотребление лазера.

Существует и другой процесс излучения, которое называется спонтанным: при этом электрон на высокоэнергетичном уровне может в случайный момент времени испустить фотон и свалиться в низкоэнергетичное состояние. Проблема со спонтанным излучением в том, что вылетающие фотоны в общем случае некогерентны: фаза фотона случайна. Эту проблему можно бы было обойти, если можно было бы поместить все электроны в одно квантомеханическое состояние, тогда и вылетающие фотоны бы были одинаковые. К сожалению, с электронами так не получится, им запрещено занимать одно квантомеханическое состояние согласно так называемому принципу запрета Паули для частиц со спином равным полуцелым числам.

ИСТОЧНИК: http://news.ifmo.ru/ru/science/photonics/news/6919/