Tehokas kannettava terahertsilaseri

Pyyhkäisyelektronimikroskooppikuva (SEM) terahertsin kvanttikaskadilaserlaitteesta (QCL).

(16.11.2020) MIT:n ja Waterloon yliopiston tutkijat ovat kehittäneet suuritehoisen, kannettavan version kvanttikaskadilaserista, joka voi tuottaa terahertsisäteilyä laboratorioympäristön ulkopuolella.

Tähän asti riittävän voimakkaan terahertsisäteilyn tuottaminen on vaatinut alle 200 Kelvinin lämpötiloja. Nämä lämpötilat voidaan saavuttaa vain suurilla laitteilla, jotka rajoittavat tekniikan käytön laboratorioympäristöön.

MIT:n professori Qing Hu ja hänen kollegansa kertovat, että heidän terahertsi-kvanttikaskadilaser voi toimia jopa 250 K:n (-23,3 C) lämpötiloissa, mikä tarkoittaa, että nyt selvitään varsin kompaktilla jäähdyttimellä.

Pienet siruihin upotetut terahertsien kvanttikaskadilaserit kehitettiin jo vuonna 2002, mutta niiden saattaminen toimimaan selvästi yli 200 Kelvinissä osoittautui niin vaikeaksi, että monet alan ihmiset spekuloivat, että siihen oli olemassa jokin fyysinen perustava syy, Hu sanoo.

Nämä laserit ovat kvanttikaivorakenteita, joissa on huolellisesti räätälöidyt kaivanteet ja esteet. Rakenteen sisällä elektronit "ketjuttuvat" eräänlaista portaikkoa pitkin, emittoimalla fotonin kullakin askeleella.

Yksi merkittävä innovaatio oli nyt laserissa olevien esteiden korkeuden kaksinkertaistaminen elektronivuodon estämiseksi, ilmiö, jolla oli taipumus kasvaa korkeissa lämpötiloissa. Aiemmin vallitseva mielipide oli, että suurempiin esteisiin liittyvä lisääntynyt elektronin sironta oli haitallista, ja siksi sitä tulisi välttää.

Tutkimusryhmä kehitti oikeat parametrit kaistarakenteelle korkeita esteitä ajatellen ja käsitteellisesti uudenlaisen optimointijärjestelmän suunnittelulle. Tämä innovaatio yhdistettiin "suoraan fononijärjestelmään", joka pitää laserin toiminnassa läpi kokoonpanon. Hu sanoo näkevänsä jo "selkeän polun" tavoitteeseen pystyä tuottamaan voimakasta terahertsiä ilman jäähdyttimen tarvetta. "Suoran fononijärjestelmän ja korkeampien esteiden käyttö on tapa edetä", hän sanoo. "Näen vihdoin tunnelin päässä olevan valon, kun saavutamme huonelämpötilan."

Joukko australialaisia kvanttiteoreetikkoja on puolestaan osoittanut, kuinka rikkoa sidos, jonka uskottiin 60 vuoden ajan rajoittavan lasereiden koherenssia. Griffithin yliopiston ja Macquarie-yliopiston tutkijat ovat osoittaneet, että uudet kvanttiteknologiat avaavat mahdollisuuden tehdä koherentista huomattavasti suuremman kuin ajateltiin olevan mahdollista.

Perinteisen viisaus on vuodelta 1958 fyysikoilta Arthur Schawlow ja Charles Townes, jotka osoittivat teoreettisesti, että säteen koherenssi ei voi olla suurempi kuin fotonien määrän toinen potenssi.

"Tutkimuspaperissamme olemme osoittaneet, että kvanttimekaniikan asettama todellinen raja on se, että koherenssi ei voi olla suurempi kuin laseriin varastoitujen fotonien määrän neljäs potenssi", sanoo apulaisprofessori Dominic Berry Macquarie-yliopistosta.

Tutkijat ovat numeerisella simulaatiolla kvanttimekaanisen mallin laserille, joka yltää tälle uudelle teoreettiselle ylärajan säteelle mutta jota ei muuten voida erottaa tavanomaisen laserin säteestä.

Aiheesta aiemmin:

Terahertsit käyttöön

Metapinnan avulla terahertsilaseri