Els làsers s’utilitzen àmpliament en comunicacions, imatges i cirurgia mèdica, electrònica de consum i altres camps i han canviat profundament la vida de les persones. En els darrers anys, per tal de fer més petita la mida dels làsers, els científics han desenvolupat nanolasers, que no només promouen encara més la miniaturització i la integració dels dispositius fotònics, sinó que també obren nous camins per estudiar la interacció entre la llum i la matèria en condicions extremes. Aquest article comença amb la generació de llum i us porta a explorar en profunditat el món dels nanolauers.
En el camp de la tecnologia de la informació, els transistors i els làsers són dos components bàsics. La miniaturització dels transistors ha promogut el ràpid desenvolupament de xips electrònics i ha generat la coneguda llei de Moore: el nombre de transistors que es poden allotjar en un circuit integrat es doblarà cada 18 mesos més o menys. Aquesta tendència ha empès la mida dels transistors més avançats al nivell del nanòmetre. Actualment, més de 10 mil milions de transistors es poden integrar al telèfon mòbil i als xips informàtics que utilitzen el públic, donant a aquests dispositius capacitats de processament d’informació potents i promovent l’arribada de l’època digital i intel·ligent. Al mateix temps, la miniaturització dels làsers ha desencadenat una revolució en la tecnologia fotònica. Després de més de mig segle de desenvolupament, els làsers de semiconductors en miniatura s’han utilitzat àmpliament en comunicacions, emmagatzematge de dades, imatge mèdica i cirurgia, detecció i mesura, electrònica de consum, fabricació d’additius, visualització i il·luminació i altres camps.
Escalar làsers és més difícil que els transistors, ja que es basen en partícules microscòpiques molt diferents, transistors confiats en electrons, mentre que els làsers es basen en fotons. A les bandes visibles i properes a l’infraroig, les longituds d’ona de fotons són tres ordres de magnitud superiors a les longituds d’ona dels electrons en transistors. Sota el límit de difracció, el volum de mode mínim en el qual es poden apretar aquests fotons és aproximadament nou ordres de magnitud, o mil milions de vegades, més gran que el dels electrons en un transistor. El repte bàsic en la creació de làsers a nanoescala és com trencar el límit de difracció i "comprimir" el volum de fotons al límit. Superar aquest problema no només promourà significativament el desenvolupament de la tecnologia fotònica, sinó que també donarà lloc a molts nous escenaris d’aplicació. Imagineu-vos que quan els fotons, com els electrons, es poden manipular de manera flexible a escala del nanòmetre, podem utilitzar llum per observar directament l'estructura fina de l'ADN, i també podem crear xips integrats optoelectrònics a gran escala i la velocitat i l'eficiència de processament de la informació serà ser molt millorat.
En els darrers anys, mitjançant plasmons superficials i mecanismes de localització de camp de llum singulars, el volum del mode làser ha superat el límit de difracció òptica i ha entrat a la nanoescala, donant així nanolasers.
1. Obriu la porta brillant per explorar el desconegut
A la naturalesa, la llum es genera de dues maneres: la radiació espontània i la radiació estimulada.
La radiació espontània és un procés meravellós. Fins i tot en una foscor completa i sense fotons externs, la matèria pot emetre llum per si sol. Això es deu al fet que el buit no està realment "buit". Està farcit de petites fluctuacions energètiques, anomenades energia de punt zero al buit. L’energia del punt zero de buit pot provocar que la matèria excitada alliberi fotons. Per exemple, la il·luminació d’una espelma produeix llum de les espelmes. La història de l’ús humà del foc es pot remuntar a més d’un milió d’anys. El foc va provocar llum i calor als avantpassats humans i va obrir el capítol de la civilització. Les flames i les làmpades incandescents són fonts de radiació espontània. Es cremen o s’escalfen per posar els electrons en un estat d’alta energia i, a continuació, alliberen fotons sota l’acció de l’energia de punt zero de buit per il·luminar el món.
La radiació estimulada revela una interacció més profunda entre la llum i la matèria. Quan un fotó extern passa per una substància en un estat emocionat, desencadena la substància per alliberar un fotó nou que és exactament el mateix que el fotó incident. Aquest fotó "copiat" fa que el feix de llum sigui altament direccional i coherent, que és el làser que coneixem. Tot i que la invenció del làser fa menys d’un segle, s’ha integrat ràpidament a la vida pública, provocant canvis que tremola la terra.
La invenció del làser ha obert una porta brillant perquè la humanitat explori el desconegut. Ens proporciona potents eines i promou molt el desenvolupament de la civilització moderna. En el camp de la informació i la comunicació, els làsers han fet realitat les comunicacions de fibra òptica d’alta velocitat i han fet possible la interconnexió global. En l’atenció mèdica, la cirurgia amb làser es caracteritza per una gran precisió i una invasivitat mínimament, proporcionant als pacients mètodes de tractament més segurs i efectius. En la fabricació industrial, el tall i la soldadura per làser milloren l’eficiència de la producció i la precisió del producte, permetent a la gent crear maquinària i equips més sofisticats. En investigacions científiques, els làsers són eines clau per a la detecció d’ones gravitacionals i la tecnologia de la informació quàntica, ajudant els científics a descobrir els misteris de l’univers.
Des de la impressió làser i la bellesa mèdica a la vida diària fins a la fusió nuclear controlada, el radar làser i les armes làser en la tecnologia d’avantguarda, els làsers són a tot arreu i tenen un impacte profund en el desenvolupament del món. No només ha canviat la nostra forma de vida, sinó que també ha ampliat la capacitat dels éssers humans per comprendre i transformar la natura.
2. Eines potents per comprendre i aprofitar la natura
Inspirat en la llei de radiació negra de Planck, Einstein va proposar el concepte de radiació estimulada el 1917, i aquest descobriment va establir les bases per a la invenció dels làsers. El 1954, els científics nord -americans Townes i altres van informar per primera vegada a un oscil·lador de microones realitzat per radiació estimulada, és a dir, un maser de microones. Utilitzaven molècules d’amoníac excitades com a suports de guany i utilitzaven una cavitat ressonant de microones d’uns 12 cm de llarg per proporcionar comentaris, realitzant màsters de microones amb una longitud d’ona d’uns 12,56 cm. El maser de microones es considera el predecessor del làser, però el làser pot produir una radiació coherent a una freqüència més alta, amb avantatges com un volum menor, una intensitat més alta i una capacitat de transport més elevada.
El 1960, el científic nord -americà Maiman va inventar el primer làser. Va utilitzar una vareta de rubí d’uns 1 cm de llarg com a medi de guany, i els dos extrems de la vareta es van plasmar per actuar com a reflectors per proporcionar comentaris òptics. Sota l'excitació d'una làmpada flash, el dispositiu va produir una sortida làser amb una longitud d'ona de 694,3 nanòmetres. Val la pena assenyalar que la mida del maser de microones es troba en el mateix ordre de magnitud que la seva longitud d’ona. Segons aquesta relació proporcional, la mida del làser hauria de ser d’uns 700 nanòmetres. Tanmateix, la mida del primer làser era molt més gran que aquest, per més de 4 ordres de magnitud. Es va trigar uns 30 anys a reduir el làser a una mida comparable a la longitud d’ona, i es va trigar mig segle a passar pel límit de longitud d’ona i a realitzar làsers de longitud de subwavida profunda.
En comparació amb fonts de llum ordinàries, l’energia de radiació dels masers i làsers de microones es concentra en un rang de freqüència molt estret. Per tant, aquestes dues invencions es poden considerar que localitzen ones electromagnètiques a l’espai de freqüència mitjançant la radiació estimulada. La radiació estimulada també es pot utilitzar per localitzar les ones electromagnètiques en les dimensions del temps, l’impuls i l’espai. En localitzar les ones electromagnètiques en aquestes dimensions, les fonts de llum làser poden aconseguir oscil·lacions de freqüència extremadament estables, polsos ultra-curts, alta direccionalitat i volums de mode extremadament petits, cosa que ens permet mesurar amb precisió el temps, observar el moviment ràpid, transmetre informació i energia a llargues distàncies a llargues distàncies , assolir la miniaturització del dispositiu i obtenir una resolució d’imatges més elevada.
Des de l’arribada dels làsers, les persones han estat constantment perseguint una localització més forta de camps de llum en dimensions com la freqüència, el temps, l’impuls i l’espai, promovent el ràpid desenvolupament de la investigació de la física làser i els dispositius làser, cosa que fa dels làsers una eina potent per comprendre i utilitzar la natura .
En la dimensió de freqüència, mitjançant la cavitat d’alta qualitat, el control de la retroalimentació i l’aïllament ambiental, els làsers poden mantenir freqüències extremadament estables, promovent els avenços en moltes investigacions científiques importants, com la condensació de Bose-Einstein (2001 Nobel Premi en física), precisió espectroscòpia làser ( Premi Nobel de 2005 en física) i detecció d’ones gravitacionals (premi Nobel de 2017 en física).
En la dimensió del temps, la tecnologia de bloqueig de mode i la tecnologia de generació harmònica d’alt ordre fan realitat els polsos làser d’ultrashort. A través de la localització de temps extrem, els làsers atosegons poden produir polsos lleugers que només duren aproximadament un cicle òptic. Aquest avenç permet observar processos ultrafastos com ara el moviment dels electrons a la capa interior dels àtoms i va guanyar el premi Nobel del 2023 en física.
En la dimensió d’impuls, el desenvolupament de làsers d’un sol mode de gran àrea ha aconseguit un alt grau de localització del camp de llum a l’espai d’impuls, fent que el feix làser sigui altament direccional. S’espera que el làser altament col·limat afavoreixi el desenvolupament de comunicacions òptiques d’alta velocitat interestel·lars de llarga durada.
En la dimensió espacial, la introducció de plasmons superficials i mecanismes de localització de camp de llum de singularitat permet que el volum del mode làser es trenqui pel límit de difracció òptica i arribi a una escala inferior a (λ/2n) 3 (on λ és la longitud d'ona de la llum de l'espai lliure i n és l’índex de refracció del material), donant així a nanolauers. L’aparició de Nanolasers té una importància àmplia per innovar la tecnologia de la informació i estudiar la interacció entre llum i matèria en condicions extremes.
3. Trencar el límit de difracció òptica
Més de 30 anys després de la invenció del làser, amb l’avançament de la tecnologia de micro-maquinària i una comprensió més profunda de la investigació de física làser i els dispositius làser, s’han desenvolupat diversos tipus de làsers micro-semiconductors després de l’altre, inclosos els làsers de micro-disk , Làsers de defectes de cristall fotònic i làsers de Nanowire. El 1992, Bell Laboratories dels Estats Units es va adonar amb èxit del primer làser de micro-discs, utilitzant el mode de galeria de xiuxiuejos en el micro-disc per permetre que la llum reflectís repetidament en el micro-disc, generi comentaris de ressonants i aconseguissin el làs. El 1999, l’Institut Tecnològic de Califòrnia dels Estats Units es va adonar del primer làser de defectes de cristall fotònic introduint defectes de punts en cristalls fotònics bidimensionals per restringir la llum. El 2001, la Universitat de Califòrnia, Berkeley, es va adonar amb èxit els làsers de semiconductors Nanowire per primera vegada utilitzant la cara final d'un nanowire com a reflector. Aquests làsers redueixen la mida de la característica a l’ordre d’una sola longitud d’ona de buit, però a causa de les limitacions del límit de difracció òptica, aquests làsers basats en ressonadors dielèctrics són difícils de reduir encara més.
En la geometria, la longitud del costat de la dreta d’un triangle dret és inferior a la longitud de la hipotenusa. A escala microscòpica, per trencar el límit de difracció, la longitud dels dos costats de la dreta ha de ser superior a la hipotenusa. El 2009, tres equips del món van realitzar nanolauers plasmònics que van trencar el límit de difracció òptica. Entre ells, l’equip de la Universitat de Califòrnia, Berkeley i la Universitat de Pequín es va adonar d’un nanolaser plasmònic basat en una estructura undimensional semiconductor-insulador-metal-insulador-metal; L’equip de la Universitat de Tecnologia d’Eindhoven als Països Baixos i la Universitat Estatal d’Arizona als Estats Units va desenvolupar un nanolaser plasmònic basat en una estructura placa plana de tres capes de metall-semiconductor-metall; L’equip de la Universitat Estatal de Norfolk i la Universitat Purdue dels Estats Units va demostrar una nanolaser plasmònica d’estructura de closca bàsica basada en una closca mitjana de guanys de nucli metàl·lic basada en ressonància plasmàtica de superfície localitzada.
Dit d’una altra manera, introduint unitats imaginàries en l’equació de dispersió, els científics realment van construir un triangle especial amb un costat de la dreta més llarg que la hipotenusa. És aquest triangle especial el que ens permet aconseguir físicament una localització de camp de llum més forta.
Després de més de 10 anys de desenvolupament, els nanolasers plasmons han demostrat excel·lents característiques com el volum de mode extremadament petit, la velocitat de modulació ultra ràpida i el baix consum d’energia. No obstant això, en comparació amb els materials dielèctrics, tot i que l'efecte plasmàtic combina el camp de llum amb l'oscil·lació col·lectiva d'electrons lliures en metalls per aconseguir una localització de camp de llum més forta, aquest acoblament també introdueix pèrdues ohmiques inherents, donant lloc a la generació de calor, que al seu torn augmenta la potència del dispositiu consum i limita el seu temps de coherència.
El 2024, l'equip de la Universitat de Peking va proposar una nova equació de dispersió de singularitat, revelant les característiques de dispersió de la Nanoantena de corbata de proa. En incorporar el Nanoantenna de corbata a l'estructura de la nanocavitat de la cantonada proposada per l'equip de la Universitat de Pequín, es va realitzar un nanolaser dielèctric de singularitat que trenca el límit de difracció òptica en un sistema dielèctric per primera vegada. Aquest disseny estructural permet que el camp de llum es comprimeixi fins a l’extrem i, teòricament, pot arribar a un volum de mode infinitament petit, molt menor que el límit de difracció òptica. A més, l'estructura sofisticada de la nanocavitat de la cantonada millora encara més la capacitat d'emmagatzematge del camp lleuger, donant al nanolaser de singularitat un factor de qualitat ultra-alta i el seu factor de qualitat òptica de la cavitat (és a dir, la proporció de l'energia emmagatzemada a la cavitat òptica a l’energia perduda per cicle) pot superar l’1 milió.
L’equip de la Universitat de Peking va desenvolupar encara més la tecnologia de matrius de freqüència òptica basada en nanolasers. Van demostrar amb èxit el potent potencial de la tecnologia de lasing coherent de la coherent controlant amb precisió la longitud d’ona i la fase de làsing de cada nanolaser a la matriu làser. Per exemple, l’equip va utilitzar aquesta tecnologia per aconseguir un lasing coherent de matrius de freqüència òptica en patrons com "P", "K", "U", "Xina" i "Xina", demostrant les seves àmplies perspectives d'aplicació en els camps de la fotònica integrada , matrius de font de llum micro-nano i comunicacions òptiques. (Autor: Ma Renmin, professor de l'Escola de Física, Universitat de Pequín)
