שיטה חסכונית ליצירת אלומות דמויות-לייזר

החוקרים הצליחו ליצור את מה שהם סבורים כי הוא לייזר הפולריטון הראשון אי-פעם הפועל על זרם חשמלי, בניגוד ללייזרים הפועלים על אור, וכזה המסוגל לפעול בטמפרטורת החדר ולא רק בטמפרטורות נמוכות מתחת לאפס

העיצוב החדש כולל הצבת המראות על פני שני צדדיו של הגאליום ניטריד ומיקום האלקטרודות מעל ומתחת לגאליום ניטריד.

בעזרת חלקיקים בלתי-יציבים המכונים פולריטונים (polaritons) המתווכים בין עולם האור לעולם החומר, חוקרים הצליחו להדגים שיטה חדשה, מעשית ויעילה יותר ליצירת אלומה קוהרנטית דמוית-לייזר.

החוקרים הצליחו ליצור את מה שהם סבורים כי הוא לייזר הפולריטון הראשון אי-פעם הפועל על זרם חשמלי, בניגוד ללייזרים הפועלים על אור, וכזה המסוגל לפעול בטמפרטורת החדר ולא רק בטמפרטורות נמוכות מתחת לאפס. תכונות אלו הופכות את ההתקן למכשיר המעשי ביותר כיום מבין קומץ לייזרים מבוססי-פולריטון שפותחו עד כה. גילוי זה מסמל אבן דרך שלא נראתה מעודה מאז המצאת הסוג הנפוץ ביותר של לייזר – דיודת המוליך-למחצה – בתחילת שנות השישים, אומרים החוקרים. אף על פי שהלייזרים הראשונים פותחו עוד בשנות החמישים, הטכנולוגיה לא עשתה גלים עד לפיתוחה של גרסת המוליך-למחצה שפעלה על בסיס חשמל ולא על בסיס אור.
גילוי זה עשוי לקדם את המאמצים להחדרת רכיבי לייזרים לתוך מעגלי מחשבים במקום חיבורים מתכתיים, מה שיביא ליצירתם של רכיבי אלקטרוניקה זעירים ועוצמתיים יותר. החוקרים לא פיתחו את ההתקן תוך התמקדות ביישום מוגדר. הם העירו כי כאשר הוכנסו לראשונה לשימוש הלייזרים הרגילים אף אחד לא האמין כמה נפוצים ורב-תכליתיים הם יהיו בעתיד לבוא. כיום הם משמשים בתחום תקשורת הסיבים האופטיים המאפשרים את קיומם של האינטרנט ושל הטלוויזיה בכבלים. לייזרים משמשים גם בנגני DVD, עבור ניתוחי עיניים, גלאים לרובוטים וטכנולוגיות בתחומי הביטחון.

חלקיק הפולריטון (ויקיפדיה) מהווה בחלקו אור ובחלקו חומר. לייזרים המבוססים על פולריטון מנצלים את החלקיקים הללו לשם פליטת אור. החוקרים חוזים כי הם יהיו יעילים יותר מבחינה אנרגטית מאשר לייזרים רגילים. אב הטיפוס החדש נדרש לכמות חשמל הקטנה פי 1000 מאשר לייזר מקביל המורכב מאותם החומרים אך הפועל בשיטה הרגילה.

"הגילוי שלנו ממש מדהים," אמר Pallab Bhattacharya, פרופסור להנדסת חשמל ומדעי המחשבים מאוניברסיטת מישיגן. "במהלך 50 השנים האחרונות הסתמכנו על לייזרים בלבד לשם הייצור של קרינה קוהרנטית וכעת יש ברשותנו מכשיר אחר המבוסס על רעיון חדש לחלוטין."

המערכת החדשה אינה ממש לייזר. המונח לייזר היה בראשיתו ראשי תיבות עבורLight Amplification by Stimulated Emission (הגברת אור על ידי פליטה מאולצת של קרינה). לייזרים המבוססים על פולריטון אינם מאלצים פליטה של קרינה, אלא הם מאלצים פיזור של פולריטונים.

בלייזר רגיל, אור, או באופן תכוף יותר זרם חשמלי, נשאבים לתוך חומר המיועד להגביר את האות. לפני תחילת השאיבה, מרבית האלקטרונים בחומר הייעודי נמצאים ברמה האנרגטית הנמוכה ביותר, מה שמכונה מצב היסוד. ברגע שאור או זרם חשמלי פוגעים באלקטרונים אלו, האלקטרונים סופגים את האנרגיה הנוספת ועולים לרמה אנרגטית גבוהה יותר. בנקודה מסוימת, מספר האלקטרונים עתירי-האנרגיה גבוה ממספר האלקטרונים במצב היסוד, וההתקן משיג את מה שמכונה "היפוך אוכלוסין". בנקודה זו, כל כמות של זרם חשמלי או אור המוכנסים לחומר מביאה לתוצאה הפוכה – האלקטרונים חוזרים למצב היסוד תוך פליטת קרינה בתהליך.
לייזרים המבוססים על פולריטון אינם מתבססים על היפוכי אוכלוסין כאלו, כך שהם אינם נדרשים לכמות אנרגיה התחלתית גבוהה לערור האלקטרונים ולהחזרתם למצב היסוד לאחר מכן. "הזרם ההתחלתי יכול להיות נמוך במיוחד, תכונה מושכת ביותר לפיתוחים עתידיים," אומר החוקר הראשי. החוקרים שילבו את החומר המתאים – המוליך-למחצה השקוף גאליום ניטריד – יחד עם עיצוב מיוחד על מנת לשמר את התנאים המבוקרים המעודדים את הפולריטונים להיווצר ולפלוט אור.

כיצד זה עובד? פולריטון הוא שילוב של פוטון (חלקיק אור) יחד עם אקסיטון (זוג של אלקטרון-חור). האלקטרון טעון שלילית והחור הוא למעשה העדרו של האלקטרון, אולם הוא מתנהג כאילו הוא היה טעון חיובית. אקסיטונים יתמזגו עם חלקיקי אור רק כאשר מתקיימים התנאים המדויקים לכך. כמות מרובה מדי של אור או זרם חשמלי תביא להתפרקותם של האקסיטונים מהר מדי. אולם, כמות מספקת בדיוק של אור או זרם חשמלי תיצור פולריטונים שיתנודדו במערכת עד אשר היא מגיעה לשיווי-משקל ברמת האנרגיה הנמוכה ביותר במה שהחוקר הראשי מתאר בתור מאגר קוהרנטיות. שם, הפולריטונים דועכים ובמהלך התהליך משחררים אלומה של אור חד-צבעי. האלומה שקיבלו החוקרים הייתה קרינת על-סגול ובעלת אנרגיה נמוכה מאוד – פחות ממיליונית הוואט. לשם השוואה, הלייזר המשמש בנגני CD הוא בשיעור של אלפית הוואט.

העיצוב שבו השתמשו החוקרים סייע בידם לקבל את האלומה בעזרת זרם חשמלי במקום בעזרת אור. הכנסת הזרם החשמלי לתוך המערכת חייבה הצבת אלקטרודות בין גאליום הניטריד לבין מספר שכבות של מראות ההופכות את האות החשמלי לשמיש. גישות של חוקרים אחרים ממקמות את האלקטרודות מחוץ למראות. העיצוב החדש כולל הצבת המראות על פני שני צדדיו של הגאליום ניטריד ומיקום האלקטרודות מעל ומתחת לגאליום ניטריד.
הידיעה על המחקר