Хвильовий ефект пов'язаних станів дозволяє зробити лазери ефективнішими і дешевшими.
Складно уявити наше життя без лазерів - їх використовують для передачі інформації в оптоволоконних кабелях, в пристроях зчитування даних, в методах високоточної різки та обробки матеріалів, в хірургії тощо. І хоча зараз у нас є широкий вибір різних типів лазерів з різними властивостями, фізики не припиняють досліджень в цій області.
Слово «лазер» розшифровується як light amplification by stimulated emission of radiation - тобто «посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання». Як він працює? Так зване активне середовище «накачується» зовнішнім джерелом енергії, оптичним або електричним, після чого випускає когерентне монохромне (строго одноколірне) випромінювання з малою витратністю пучка.
На атомному рівні тут відбувається наступне: електрони зовнішньої атомної оболонки «перекидаються» в збуджений стан за рахунок зовнішньої енергії, а через деякий час атоми активного середовища спонтанно випускають фотони з довжиною хвилі, яка відповідає енергетичній різниці між збудженою і основним станом атомів.
Ці фотони стимулюють інші атоми випустити фотони з такою ж довжиною хвилі і фазою, і, завдяки безперервній накачці, відбувається лавиноподібне випускання фотонів. Зазвичай активне середовище укладено в резонатор, що складається з двох паралельно встановлених дзеркал, що багаторазово перевідбивають світло, і всі фотони, напрямок яких відрізняється від головної осі системи, виходять з резонатора. Коли інтенсивність випромінювання досягає певного порогового значення, пучок залишає резонатор через одне з дзеркал, яке зроблено напівпрозорим.
Як покращити лазер? Наприклад, можна постаратися зменшити сам пристрій, зробити його більш компактним; або зробити так, щоб можна було змінювати довжину і форму променя; нарешті, можна підвищити ефективність перетворення енергії накачування в лазерне випромінювання. Один з факторів, що знижують ефективність енергетичного перетворення - це резонатор. Без нього обійтися начебто ніяк не можна: для випромінювання потрібної інтенсивності потрібні стоячі хвилі (тобто фотони повинні повертатися туди і назад всередині активного середовища, інтерферуючи самі з собою). Резонатор потрібен якраз для стоячих світлових хвиль, однак насправді їх можна зробити і в континуумі, без системи дзеркал, завдяки одному цікавому хвильовому ефекту.
У 1929 році, всього через 3 роки після зародження квантової механіки, Джон фон Ньюман і Юджин Вігнер показали, що рішенням рівняння Шредінгера можуть бути так звані пов'язані стани в континуумі (ССК), обмежені в просторі потенційним бар'єром певної форми. Енергія пов'язаних станів виявилася вищою, ніж енергія бар'єру, і при тому вони були стабільні в часі - за умови, що розміри системи прагнуть до нескінченності.
Довгий час це рішення вважалося математичним артефактом, але в кінці 70-х фізики передбачили існування ССК в напівпровідникових надрешітках. Пізніше, завдяки розвитку теорії резонансу, вдалося знайти певне співвідношення фаз двох хвиль за межами потенційного бар'єру, яке призводить до деструктивної інтерференції, в результаті чого хвилі виявляються «замкнені» всередині потенціалу і конструктивно інтерферують, збільшуючи свою інтенсивність. Таким чином, виявилося, що ССК мають хвильову природу і не обмежені квантовою механікою: їх можна зустріти в акустиці, мікрохвильовій фізиці та нанофотонику.
Дослідники з Університету Сан-Дієго в США під керівництвом професора Бубакара Канте показали, що це феномен пов'язаних станів в континуумі можна використовувати для накачування лазера при кімнатній температурі.
ССК-лазер виготовили на основі тонкої напівпровідникової мембрани, що складається з індія, галію, миш'яку та фосфору; він складається з циліндричних нанорезонаторів, підвішених у повітрі і з'єднаних металевими мостами для механічної стійкості. Матриця з нанорезонаторів отримана за допомогою електронно-променевої літографії і реактивного іонного цькування - стандартних методів виробництва напівпровідникових структур. Лазер функціонує, навіть якщо зменшити розмір матриці до 8Х8 циліндрів, тобто всього до декількох квадратних мікрометрів. Довжина хвилі визначається радіусом циліндрів.
Більш того, ССК-лазери можна виготовити таким чином, що їх пучки будуть мати певну форму, наприклад, у вигляді спіралі, пончика або «дзвону» Гаусса. Це надзвичайно стало б у нагоді для оптичних пасток, біологічних сенсорів і особливо квантово-інформаційних пристроїв та оптичних комунікацій, адже такі пучки можуть переносити до десяти разів більше інформації. Докладно про пристрій нового лазера описано в статті в Nature.
В експерименті дослідники використовували оптичне накачування високочастотним випромінюванням; сам же новий лазер випромінює на довжині хвилі, використовуваної для телекомунікацій (в інфрачервоному спектрі). За словами професора Канте, він і його група «... продемонстрували, що ССК дійсно здатні генерувати лазерне випромінювання, тепер завдання полягає в тому, щоб створити схожий пристрій на електричній накачці».
Інший автор роботи, Бабак Бахарі, додає: "Джерела світла - одні з ключових компонентів у технологіях оптичних комунікацій, що використовуються при створенні мобільних телефонів, комп'ютерів і в астрономії. Ми створили більш ефективне джерело світла як за споживаною потужністю, так і за швидкістю ".
Важливо, що з технологічної точки зору такі лазери вимагають меншої кількості компонентів, і, відповідно, їх робити їх повинно бути простіше і дешевше. Тому можна сподіватися, що незабаром навіть звичайні магазинні сканери штрих-коду обзаведуться новою лазерною «начинкою».