Un láser de polaritón es un tipo novedoso de fuente de láser que aprovecha la naturaleza coherente de los condensados de Bose de excitones-polaritones en semiconductores para lograr un láser de umbral ultrabajo. [1]
En 1996, Imamoglu et al. propuso un tipo tan novedoso de fuente de luz coherente y explicó el concepto [2] basado en un efecto estrechamente relacionado con la condensación de átomos de Bose-Einstein : una gran cantidad de partículas bosónicas (aquí: polaritones ) forman un condensado en un estado cuántico ocupado macroscópicamente a través de la dispersión estimulada. El condensado de polaritones finalmente proporciona una emisión coherente de luz. Por lo tanto, es una fuente de luz coherente que posee un mecanismo de trabajo diferente en comparación con los dispositivos láser convencionales. Debido a su principio, un láser de polaritón promete un funcionamiento del láser con mayor eficiencia energética. La estructura semiconductora típica de un láser de este tipo consiste en una microcavidad óptica colocada entrereflectores Bragg distribuidos .
Una demostración temprana del láser polaritónico y una comparación con el láser convencional fue lograda en 2003 por H. Deng et al. en la Universidad de Stanford bajo excitación óptica [1] ( Kasprzak et al. [3] más tarde se vinculó completamente a la condensación polaritónica con la condensación dinámica de Bose-Einstein en 2006 ). Sin embargo, el bombeo eléctrico de un láser de polaritón , crucial para un uso práctico de fuentes de luz polaritónica, no se demostró hasta 2013, cuando un equipo de investigadores de la Universidad de Michigan presentó la primera e inequívoca demostración de un láser de polaritón bombeado eléctricamente [ 4] y por un equipo de la Universidad de Würzburg junto con sus socios internacionales utilizando técnicas similares. [5]
En esta etapa, el dispositivo accionado eléctricamente funciona a temperaturas muy bajas de alrededor de 10 K y necesita un campo magnético aplicado en la geometría de Faraday. En 2007, se demostró el funcionamiento incluso a temperatura ambiente de un láser de polaritón bombeado ópticamente, [6] [7] prometiendo el desarrollo de futuros láseres de polaritón bombeados eléctricamente para aplicaciones a temperatura ambiente.
Es importante, y desafiante, distinguir el láser polaritónico del láser convencional (fotónico), debido a las características de emisión similares. Un elemento crucial del éxito de ambos equipos radica en la naturaleza híbrida de los polaritones cuyo componente de materia (excitones) exhibe una respuesta sensible a un campo magnético externo. El equipo de Michigan dirigido por Pallab Bhattacharya utilizó una combinación de dopaje de modulación de los pozos cuánticos en la región activa, para mejorar la dispersión de polaritón-electrón, y un campo magnético externo para mejorar la dispersión de polaritón-fonón y la densidad de saturación de excitón-polaritón. Con estas medidas lograron un umbral láser de polaritón comparativamente bajo de 12 A / cm 2 (publicado en Physical Review Letters en mayo de 2013). Las investigaciones realizadas por el equipo en Würzburg, habiendo comenzado con la idea de diseñar un dispositivo eléctrico en 2007, llevaron al efecto deseado después de unos años en cooperación con sus socios internacionales de EE. UU., Japón, Rusia, Singapur, Islandia y Alemania. . Finalmente, sus estudios se complementaron con un experimento crucial en un campo magnético: [8] se realizó una verificación inequívoca del componente de materia del modo de emisión en el régimen del láser polaritónico, lo que arrojó una demostración experimental por primera vez de un láser polaritónico bombeado eléctricamente por C. Schneider, A. Rahimi-Iman y coautores del equipo de S. Höfling (publicado en Nature en mayo de 2013).
El 5 de junio de 2014, el equipo de Bhattacharya logró crear lo que se cree que es el primer láser de polaritón alimentado por corriente eléctrica en lugar de luz, y que también funciona a temperatura ambiente, en lugar de muy por debajo de cero. [9]
Referencias
- ^ a b Deng, H .; Weihs, G .; Snoke, D .; Bloch, J .; Yamamoto, Y. (2003). "Láser de polaritón frente a láser de fotón en una microcavidad semiconductora" . Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 100 (26): 15318-15323. Código Bibliográfico : 2003PNAS..10015318D . doi : 10.1073 / pnas.2634328100 . PMC 307565 . PMID 14673089 .
- ^ Imamoglu, A .; Ram, RJ; Pau, S .; Yamamoto, Y. (1996). "Condensados de desequilibrio y láseres sin inversión: láseres de excitón-polaritón". Phys. Rev. A . 53 (6): 4250–4253. Código Bibliográfico : 1996PhRvA..53.4250I . doi : 10.1103 / PhysRevA.53.4250 . PMID 9913395 .
- ^ Kasprzak, J .; Richard, M .; Kundermann, S .; Baas, A .; Jeambrun, P .; Keeling, JMJ; Marchetti, FM; Szymańska, MH; André, R .; Staehli, JL; Savona, V .; Littlewood, PB; Deveaud, B .; Dang, LS (2006). "Condensación de Bose-Einstein de excitones polaritones". Naturaleza . 443 (7110): 409–414. Código Bibliográfico : 2006Natur.443..409K . doi : 10.1038 / nature05131 . PMID 17006506 .
- ^ Bhattacharya, P .; Xiao, B .; Das, A .; Bhowmick, S .; Heo, J. (2013). "Láser de excitón-polaritón de estado sólido inyectado eléctricamente". Cartas de revisión física . 110 (20): 206403. Código Bibliográfico : 2013PhRvL.110t6403B . doi : 10.1103 / PhysRevLett.110.206403 . PMID 25167434 .
- ^ Schneider, C .; Rahimi-Iman, A .; Kim, Nueva York; Fischer, J .; Savenko, IG; Amthor, M .; Lermer, M .; Wolf, A .; Worschech, L .; Kulakovskii, VD; Shelykh, IA; Kamp, M .; Reitzenstein, S .; Forchel, A .; Yamamoto, Y .; Höfling, S. (2013). "Un láser de polaritón bombeado eléctricamente". Naturaleza . 497 (7449): 348–352. Código Bibliográfico : 2013Natur.497..348S . doi : 10.1038 / nature12036 . PMID 23676752 . S2CID 205233384 .
- ^ Christopoulos, S .; von Högersthal, GBH; Grundy, AJD; Lagoudakis, PG; Kavokin, AV ; Baumberg, JJ ; Christmann, G .; Manteca.; Feltin, E .; Carlin, J.-F .; Grandjean, N. (2007). "Lasing de polaritón a temperatura ambiente en microcavidades de semiconductores" . Phys. Rev. Lett . 98 (12): 126405. Código Bibliográfico : 2007PhRvL..98l6405C . doi : 10.1103 / PhysRevLett.98.126405 . PMID 17501142 . S2CID 43418252 .
- ^ Johnston, Hamish (27 de mayo de 2007). "El láser de polaritón alcanza la temperatura ambiente". Mundo de la física .
- ^ Universidad de Würzburg (16 de mayo de 2013). "Un nuevo tipo de láser" .
- ^ "Una nueva forma de hacer rayos láser usando 250 veces menos energía - Noticias de la Universidad de Michigan" .