Oda sıcaklığındaki cihaz, uzaktaki lazer noktalarını tek tutarlı ‘süper moda’ senkronize eder

Araştırmacılar, aşırı koşullar veya karmaşık malzemeler olmadan, uzaysal olarak ayrılmış lazerlerin senkronize olmasını ve tek bir tutarlı ışık kaynağı gibi davranmasını sağlamanın yeni bir yolunu gösterdi.

Southampton Üniversitesi (İngiltere), Varşova Üniversitesi (PL), Askeri Teknoloji Üniversitesi (PL), Institut Pascal, Clermont Auvergne Üniversitesi, CNRS (FR) ve CNR’den (IT) fizikçilerden oluşan bir ekip, birden fazla küçük lazer ışınının kendiliğinden senkronize olduğu ve birleşik, uzaysal olarak genişletilmiş ve tutarlı bir ışık kaynağı gibi davrandığı yeni bir ayarlanabilir fotonik cihazlar sınıfı geliştirdi. Dikkat çekici bir şekilde bu etki, sıvı kristallere ve organik boya moleküllerine dayalı basit bir sistem kullanılarak oda sıcaklığında elde ediliyor ve düşük maliyetli ve yeniden yapılandırılabilir optik teknolojiler için yeni olanaklar açılıyor.

Çalışma dergide yayınlandı Doğa İletişimi. Çalışma, optik bir mikro boşluk içindeki uzamsal olarak ayrılmış lazer noktalarının kendiliğinden faz kilitleyebildiğini, yani salınımlarını hizalayabildiğini (veya senkronize edebildiğini) ve “süper mod” olarak bilinen kolektif bir durum oluşturabildiğini göstermektedir. Geleneksel olarak, bu tür davranışlar yalnızca kriyojenik sıcaklıklarda çalışan ve güçlü ışık-madde birleştirme rejimi olarak adlandırılan yüksek düzeyde uzmanlaşmış yarı iletken sistemlerde gözlemlenmiştir.

Makalenin ilk yazarı ve deneyi tasarlayan Southampton Üniversitesi’nden Dmitriy Dovzhenko, “Sonuçlarımız, ışığın bu tür kolektif davranışını elde etmek için karmaşık kuantum malzemelerine veya düşük sıcaklıklara ihtiyacınız olmadığını gösteriyor” diyor. “Benzer etkileri, daha önce rapor edilen platformlarda elde edilemeyen geleneksel olmayan çalışma rejimlerinin avantajıyla, tamamen optik olarak yeniden yapılandırılabilirlik, elektriksel olarak ayarlanabilirlik ve ortam koşulları altında sağlam çalışma sunan çok daha basit ve daha pratik bir platformda elde edebiliriz.”

Askeri Teknoloji Üniversitesi’nden Wiktor Piecek, “Cihaz, standart bir lazer boyayla karıştırılmış sıvı kristalle doldurulmuş mikroskobik bir optik boşluktan oluşuyor; Varşova’da üretilmiş teknolojik bir şaheser” diyor. Uzaysal olarak yapılandırılmış ışık tarafından uyarıldığında, boşluğun küçük bölgeleri lazer olmaya başlar ve küçük lazerler gibi tutarlı ışık yayar. Bağımsız hareket etmek yerine bu bölgeler, boşluk düzlemi içinde yayılan ışık aracılığıyla etkileşime girebilir. Bu etkileşim, birden fazla lazer noktası boyunca uzanan makroskobik tutarlı bir durumun ortaya çıkmasına yol açar. Bu rejimde sistem, kendiliğinden senkronize olan birleştirilmiş osilatörlerden oluşan bir ağ gibi davranır.

CNRS Fransa’dan teorisyen Dmitry Solnyshkov, “Şaşırtıcı bir şekilde bu durum, ışık ve maddenin yalnızca zayıf bir şekilde etkileşime girdiği ve hibritleşmiş bir hafif madde durumu oluşturmadığı zayıf ışık-madde eşleşme rejiminde meydana geliyor; uyarılmış durumun bu tür hibrit bir doğasının gerekli görüldüğü önceki çalışmaların aksine.” diyor.

Yeni platformun önemli bir avantajı elektriksel olarak ayarlanabilir olmasıdır. Araştırmacılar küçük bir voltaj uygulayarak boşluk içindeki sıvı kristal moleküllerini yeniden yönlendirebilirler. Bu, ışığın yayılma şeklini değiştirir ve lazer noktaları arasındaki etkileşimi açıp kapatmalarına ve aralarındaki bağlantının gücünü kontrol etmelerine olanak tanır. Aynı zamanda fotonların dönüş-yörünge eşleşmesine benzer etkiler yaratarak yayılan ışığın yönünü ve polarizasyonunu da değiştirir. Bu kontrol seviyesi, kalıcı “süper modun” gerçek zamanlı olarak dinamik olarak yeniden yapılandırılmasına olanak tanır.

Dovzhenko, “Etkinin arkasındaki mekanizma, incelikli bir fiziksel sürece dayanıyor” diye ekliyor. “Lazer uyarıldığında, malzemenin optik özellikleri hafifçe kayar (maviye kayma olarak adlandırılır), numunenin uyarılmış alanı içinde lokalize etkili bir potansiyel yaratır ve bu da fotonların boşluk düzlemi içindeki lazer noktasından uzağa yayılmasına neden olur. Bu yayılan tutarlı fotonlar, uzak lazer noktaları arasındaki etkileşime aracılık ederek bunların senkronize olmasına olanak tanır – onlarca mikrometre ile ayrılmış olsalar bile.”

Şu anda Varşova Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı olan Luciano Ricco, şu yorumu yapıyor: “Daha önce yalnızca güçlü bir şekilde eşleşmiş ışık-madde sistemlerinde gözlemlenen bu tür davranışların, bir optik rezonatörün elektromanyetik modu ile etkileşime giren iki durumlu bir kuantum sisteminin dinamiklerini tanımlamak için lazer fiziğinde yaygın olarak kullanılan Maxwell-Bloch denklemlerinin yarı klasik yaklaşımıyla teorik olarak açıklanabileceğini ve sayısal olarak doğrulanabileceğini gösteriyoruz.”

Varşova Üniversitesi Fizik Fakültesi’nden Jacek Szczytko, “Bu, lazerleri birleştirmenin temelde farklı bir yoludur” diye açıklıyor. “Işık ve madde arasındaki güçlü etkileşimlere güvenmek yerine, ışığın yayılmasını kullanıyoruz. Bulgular, karmaşık sistemlerin fotonik simülatörlerine izin veren optik hesaplama ve sinir ağlarındaki potansiyel uygulamalarla, ölçeklenebilir ve yeniden programlanabilir fotonik sistemlere doğru yeni bir yol açıyor. Ek kontrol, ışın şekillendirmede ve gelişmiş lazer teknolojilerinde çok önemli olabilir.

“Aynı zamanda entegre optik devrelerde de yeni olanaklar açıyor. Sistem oda sıcaklığında çalıştığı ve köklü malzemeler kullandığı için pratik cihazlara doğru umut verici bir yol sunuyor.”

Çalışma, fotonikte uzun süredir devam eden bir varsayıma meydan okuyor: Işığın karmaşık kolektif halleri, güçlü ışık-madde eşleşmesi ve kriyojenik ortamlar gerektirir. Bunun yerine, ışığın uyarılması ve yayılması için doğru koşulların karşılanması koşuluyla, benzer fiziğin daha basit, yarı klasik sistemlerde ortaya çıkabileceğini gösteriyor.