Une équipe dirigée par des physiciens de l'Université de l'Utah a découvert comment résoudre un problème majeur qui se produit dans les lasers fabriqués à partir d'un nouveau type de matériau appelé points quantiques. Le phénomène inédit sera important pour un domaine émergent de la recherche en photonique, y compris un jour la fabrication de micro-puces qui codent les informations en utilisant la lumière au lieu d'électrons.

L'étude publiée le 4 février 2019, dans la revue Communication Nature .

Les lasers sont des appareils qui amplifient la lumière, produisant souvent un seul, faisceau lumineux étroit. La force du faisceau dépend du matériau avec lequel le laser a été construit; la lumière traverse le matériau, qui produit un faisceau composé d'ondes lumineuses toutes de longueurs d'onde similaires, concentrer beaucoup d'énergie dans une petite zone. Cette propriété matérielle de pouvoir amplifier l'énergie du faisceau est appelée "gain".

De nombreux scientifiques construisent des lasers avec des points quantiques. Les points quantiques sont de minuscules cristaux de matériaux semi-conducteurs cultivés à des tailles de seulement environ 100 atomes de diamètre. La taille des cristaux détermine la longueur d'onde du faisceau lumineux, de la lumière bleue à la lumière rouge et même dans l'infrarouge.

Les gens s'intéressent aux lasers à points quantiques car ils peuvent ajuster les propriétés simplement en faisant croître les cristaux de différentes tailles en utilisant différents matériaux semi-conducteurs et en choisissant différentes formes et tailles de lasers. L'inconvénient est que les lasers à points quantiques contiennent souvent de minuscules défauts qui divisent la lumière en plusieurs longueurs d'onde, qui distribue l'énergie du faisceau et le rend moins puissant. Idéalement, vous voulez que le laser concentre la puissance sur une longueur d'onde.

La nouvelle étude a cherché à corriger ce défaut. D'abord, des collaborateurs du Georgia Institute of Technology ont fabriqué 50 lasers à points quantiques en forme de disque microscopique à partir de séléniure de cadmium. L'équipe U a ensuite montré que presque tous les lasers individuels présentaient des défauts qui divisent les longueurs d'onde des faisceaux.

Les chercheurs ont ensuite couplé deux lasers ensemble pour corriger la division de longueur d'onde. Ils mettent un laser à plein gain, qui décrit la quantité maximale d'énergie possible. Pour obtenir le plein gain, les scientifiques ont donné un feu vert, appelé le voyant "pompe", sur le premier laser. Le matériau à points quantiques a absorbé la lumière et a réémis un faisceau de lumière rouge plus puissant. Plus la lumière verte qu'ils brillaient sur le laser était forte, plus le gain d'énergie est élevé. Lorsque le deuxième laser n'a eu aucun gain, la différence entre les deux lasers empêchait toute interaction, et la division se produisait encore. Cependant, lorsque l'équipe a allumé un feu vert sur le deuxième laser, son gain a augmenté, fermer la différence de gain entre les deux lasers. Une fois que le gain dans les deux lasers est devenu similaire, l'interaction entre les deux lasers a corrigé la division et concentré l'énergie en une seule longueur d'onde. C'est la première fois que quelqu'un observe ce phénomène.

Les résultats ont des implications pour un nouveau domaine, appelé recherche en optique et photonique. Au cours des 30 dernières années, les chercheurs ont expérimenté l'utilisation de la lumière pour véhiculer des informations, plutôt que des électrons utilisés dans l'électronique traditionnelle. Par exemple, plutôt que de mettre beaucoup d'électrons sur une puce électronique pour faire fonctionner un ordinateur, certains envisagent d'utiliser la lumière à la place. Les lasers seraient une grande partie de cela et la correction de la division de longueur d'onde peut fournir un avantage significatif pour contrôler l'information par la lumière. Il pourrait également être un avantage majeur d'utiliser des matériaux tels que les points quantiques dans ce domaine.

"Il n'est pas impossible que quelqu'un puisse fabriquer un laser sans défaut avec des points quantiques, mais cela coûterait cher et prendrait du temps. En comparaison, l'accouplement est plus rapide, plus flexible, moyen rentable de corriger le problème, " dit Evan Lafalce, professeur adjoint de recherche en physique et astronomie à l'U et auteur principal de l'étude. "C'est une astuce pour que nous n'ayons pas à fabriquer des lasers à points quantiques parfaits."