史丹福大學的物理學家開發出一種電驅動的極化雷射

位於光學實驗室的物理學家Na Young Kim是國際團隊的成員，該團隊展示了革命性的電驅動極化子雷射器，該雷射器可以顯著提高雷射器的效率。

利用玻色子的獨特物理特性，史丹福大學的物理學家們發明了一種電驅動的極化子雷射器，其功率比傳統雷射器要少，有一天可以在從消費品到量子計算機的許多地方使用。

雷射是現代社會看不見的骨幹。它們是從高速Internet服務到Blu-ray播放器的技術不可或缺的一部分。

然而，經過50年的使用，以物理為動力的雷射器一直保持相對不變。現在，由史丹福大學電機工程學和應用物理學教授Yoshihisa Yamamoto領導的國際研究團隊展示了一種革命性的電驅動極化子雷射器，該雷射器可以顯著提高雷射器的效率。

該系統利用了玻色子的獨特物理特性，玻色子是科學家數十年來一直試圖將其摻入雷射器中的物質。

史丹福大學團隊的物理學家Na Young Kim說：「我們已經鞏固了對物理的認識，現在是時候考慮如何將這些雷射器付諸實踐了。」 「這是一個令人興奮的時代，可以想像這種新的物理原理如何導致新穎的工程。」

金說，電驅動的極化子雷射器將使用傳統雷射器功率的一百分之一來工作，有一天有可能在從消費品到量子計算機的許多地方使用。

該工作在5月16日的《自然》雜誌上進行了詳細介紹，並與日本東京國立信息學研究所以及德國維爾茨堡大學的一個由物理學家阿爾弗雷德·福爾切爾（Alfred Forchel）領導的團隊合作進行。

愛因斯坦與電子

所有雷射器均基於愛因斯坦的受激發射原理。帶電粒子（例如電子）以不連續的能級存在，例如梯子上的梯級。具有足夠能量的電子可以被激發並「躍升」到更高的能量水平。激發的電子可以自發地下降到可用的較低能級，從而將能量差作為一種稱為光子的光發射出去。

被激發的電子下降並釋放光子之前經過的時間通常是隨機的。但是，愛因斯坦預測，如果高能級的電子以適當的能量暴露於光子，電子將立即掉落並釋放出與第一個相同的第二個光子。

雷射通過不斷為電子提供能量使其進入更高的能級來保持這一過程。隨著越來越多的電子被激發釋放光子，額外的光子激發了越來越多的電子。允許某些光子從設備中逸出以達到特定目的，例如從CD讀取數據或蝕刻電路板。

但是，該過程效率低下。在任何給定時間可以存在於給定能級的電子數量有一個嚴格的限制，常規雷射器浪費能量不必要地將電子激發到更高能級，即使當更低能級太低而落下時也無法接受被激發的電子。

令人興奮的激子

然而，金的極化雷射將電子與所謂的「空穴」配對以形成另一種粒子，即激子。孔是結構中電子可能存在的間隙，物理學家將其視為真實的獨立粒子。

這些激子是玻色子，並且可以無限制地居住在任何給定的能級中。幾十年來，在雷射中使用玻色子一直是一個科學目標，但是Yamamoto的團隊是第一個成功使用玻色子製造電動雷射器的團隊。（該結果最近由密西根大學的科學家複製並確認，他們的工作發表在《物理評論快報》上。）

這種變化極大地降低了運行雷射器所需的功率。極化子雷射器的當前迭代所需能量比同類傳統雷射器少2至5倍，但將來可能需要少100倍。

「結果看起來與傳統的光子雷射器相似，但是內部的物理機制非常不同，」金說。

雷射由電子存儲器和空穴存儲器組成。當施加電流時，電子和空穴聚在一起形成激發能級的激子。當光子撞擊激子時，它形成極化子並發射相同的光子。

金說，整個過程就像一個反向的太陽能電池。

她說：「在太陽能電池中，您利用光形成激子，並將其電隔離為電子和空穴。」 「我們將電子和空穴聚在一起以發光。」

電驅動極化子雷射器的一個好處是，只需將其連接到電源即可發射光子，從而使其在將來可以輕鬆地與現有的半導體晶片集成在一起。

涼爽的溫度和技術

當前的極化子雷射器只能在寒冷的4開氏度（華氏 452度）下運行，並且需要通過液氦進行持續冷卻，以防止砷化鎵半導體內部的激子被熱能拉開。

該團隊希望切換到需要更多能量才能分解激子的材料，這將使他們能夠製造在室溫下工作的極化子雷射器，這是朝著廣泛使用邁出的重要一步。

「我們希望將來可以用這些極化子雷射器代替傳統的半導體雷射器，」金說。「目前尚有許多障礙，但我們的目標是帶來基於合理的物理理解的新穎設備，以實現成本效益和高效功耗。」

史丹福大學的研究人員已經利用極化子雷射器開發量子計算機和量子模擬器。Kim相信，在未來五到十年內，類似的雷射器將可用於科學界以外的人們。

該研究得到了美國國家科學基金會，DARPA QUEST計劃，日本科學促進會的「世界領先的科學技術創新研發資助計劃（FIRST計劃）」和巴伐利亞州的支持。