I laser sono ampiamente utilizzati in comunicazioni, imaging medico e chirurgia, elettronica di consumo e altri campi e hanno una vita di persone profondamente cambiate. Negli ultimi anni, al fine di rendere più piccole le dimensioni dei laser, gli scienziati hanno sviluppato nanolasers, che non solo promuovono ulteriormente la miniaturizzazione e l'integrazione dei dispositivi fotonici, ma aprono anche nuovi percorsi per studiare l'interazione tra luce e materia in condizioni estreme. Questo articolo inizia con la generazione di luce e ti porta ad esplorare in profondità il mondo dei nanolaser.
Nel campo della tecnologia dell'informazione, transistor e laser sono due componenti principali. La miniaturizzazione dei transistor ha promosso il rapido sviluppo di chip elettronici e ha generato la nota legge di Moore - il numero di transistor che possono essere sistemati su un circuito integrato raddoppierà ogni 18 mesi circa. Questa tendenza ha spinto le dimensioni dei transistor più avanzati a livello di nanometro. Allo stato attuale, oltre 10 miliardi di transistor possono essere integrati nei telefoni cellulari e nei chip di computer utilizzati dal pubblico, offrendo a questi dispositivi potenti capacità di elaborazione delle informazioni e promuovendo l'arrivo dell'era digitale e intelligente. Allo stesso tempo, la miniaturizzazione dei laser ha innescato una rivoluzione nella tecnologia fotonica. Dopo oltre mezzo secolo di sviluppo, i laser a semiconduttore in miniatura sono stati ampiamente utilizzati nelle comunicazioni, nello stoccaggio dei dati, nell'imaging medico e sulla chirurgia, sul rilevamento e nella misurazione, l'elettronica di consumo, la produzione additiva, la visualizzazione e l'illuminazione e altri campi.
Il ridimensionamento dei laser è più difficile dei transistor perché si basano su transistor di particelle microscopici molto diversi si basano sugli elettroni, mentre i laser si affidano ai fotoni. Nelle bande visibili e del vicino infrarosso, le lunghezze d'onda dei fotoni sono tre ordini di grandezza superiori alle lunghezze d'onda degli elettroni nei transistor. Fatta salva il limite di diffrazione, il volume della modalità minima in cui questi fotoni possono essere schiacciati è di circa nove ordini di grandezza, o un miliardo di volte, più grande di quello degli elettroni in un transistor. La sfida principale nella costruzione di laser a nanoscala è come sfondare il limite di diffrazione e "comprimere" il volume dei fotoni al limite. Superare questo problema non solo promuoverà in modo significativo lo sviluppo della tecnologia fotonica, ma darà anche origine a molti nuovi scenari di applicazione. Immagina che quando i fotoni, come gli elettroni, possano essere manipolati in modo flessibile su scala nanometrica, possiamo usare la luce per osservare direttamente la struttura fine del DNA e possiamo anche creare chip integrati optoelettronici su larga scala e la velocità di elaborazione delle informazioni e l'efficienza essere molto migliorato.
Negli ultimi anni, attraverso plasmoni di superficie e singolari meccanismi di localizzazione del campo di luce sul punto, il volume della modalità laser ha superato il limite di diffrazione ottica ed è entrato nella nanoscala, dando così origine ai nanolasi.
1. Apri la porta luminosa per esplorare l'ignoto
In natura, la luce viene generata in due modi: radiazioni spontanee e radiazioni stimolate.
La radiazione spontanea è un processo meraviglioso. Anche nell'oscurità completa e senza fotoni esterni, la materia può emettere luce da sola. Questo perché il vuoto non è veramente "vuoto". È riempito con minuscole fluttuazioni di energia, chiamate energia a vuoto zero. L'energia a vuoto zero può causare una materia eccitata a rilasciare fotoni. Ad esempio, l'illuminazione di una candela produce a lume di candela. La storia dell'uso umano del fuoco può essere ricondotta a oltre 1 milione di anni fa. Il fuoco portò luce e calore agli antenati umani e aprì il capitolo della civiltà. Fiamme e lampade a incandescenza sono entrambe fonti di radiazione spontanea. Bruciano o riscaldano per mettere gli elettroni in uno stato ad alta energia e quindi rilasciano fotoni sotto l'azione dell'energia a vuoto zero per illuminare il mondo.
Le radiazioni stimolate rivelano un'interazione più profonda tra luce e materia. Quando un fotone esterno passa attraverso una sostanza in uno stato eccitato, innesca la sostanza per rilasciare un nuovo fotone che è esattamente lo stesso del fotone incidente. Questo fotone "copiato" rende il raggio di luce altamente direzionale e coerente, che è il laser che abbiamo familiarità. Sebbene l'invenzione del laser sia meno di un secolo fa, è stata rapidamente integrata nella vita pubblica, causando cambiamenti che violano la terra.
L'invenzione del laser ha aperto una porta luminosa per l'umanità per esplorare l'ignoto. Ci fornisce strumenti potenti e promuove notevolmente lo sviluppo della civiltà moderna. Nel campo dell'informazione e della comunicazione, i laser hanno reso le comunicazioni in fibra ottica ad alta velocità e hanno reso possibile l'interconnessione globale. Nelle cure mediche, la chirurgia laser è caratterizzata da alta precisione e minima invasività, fornendo ai pazienti metodi di trattamento più sicuri ed efficaci. Nella produzione industriale, il taglio e la saldatura laser migliorano l'efficienza della produzione e la precisione del prodotto, consentendo alle persone di creare macchinari e attrezzature più sofisticate. Nella ricerca scientifica, i laser sono strumenti chiave per il rilevamento delle onde gravitazionali e la tecnologia dell'informazione quantistica, aiutando gli scienziati a scoprire i misteri dell'universo.
Dalla stampa laser e dalla bellezza medica nella vita quotidiana alla fusione nucleare controllata, al radar laser e alle armi laser nella tecnologia all'avanguardia, i laser sono ovunque e hanno un profondo impatto sullo sviluppo del mondo. Non solo ha cambiato il nostro stile di vita, ma ha anche ampliato la capacità degli esseri umani di comprendere e trasformare la natura.
2. Strumenti potenti per capire e sfruttare la natura
Ispirato alla legge sulle radiazioni del Blackbody di Planck, Einstein propose il concetto di radiazioni stimolate nel 1917 e questa scoperta gettò le basi per l'invenzione dei laser. Nel 1954, gli scienziati americani Townes e altri riportarono per la prima volta un oscillatore a microonde realizzato da radiazioni stimolate, vale a dire un maser a microonde. Hanno usato molecole di ammoniaca eccitate come media di guadagno e hanno usato una cavità risonante a microonde per circa 12 cm per fornire feedback, realizzando maser a microonde con una lunghezza d'onda di circa 12,56 cm. Il maser a microonde è considerato il predecessore del laser, ma il laser può produrre radiazioni coerenti a una frequenza più elevata, con vantaggi come volume più piccolo, maggiore intensità e maggiore capacità di trasporto di informazioni.
Nel 1960, lo scienziato americano Maiman inventò il primo laser. Ha usato un'asta di rubino lungo circa 1 cm come mezzo di guadagno e le due estremità dell'asta erano placcate in argento per agire come riflettori per fornire un feedback ottico. Sotto l'eccitazione di una lampada flash, il dispositivo ha prodotto un'uscita laser con una lunghezza d'onda di 694,3 nanometri. Vale la pena notare che la dimensione del maser a microonde è sullo stesso ordine di grandezza della sua lunghezza d'onda. Secondo questa relazione proporzionale, la dimensione del laser dovrebbe essere di circa 700 nanometri. Tuttavia, la dimensione del primo laser era molto più grande di così, di oltre 4 ordini di grandezza. Ci sono voluti circa 30 anni per ridurre il laser a una dimensione paragonabile alla lunghezza d'onda e ci sono voluti mezzo secolo per sfondare il limite della lunghezza d'onda e realizzare laser a lunghezza d'onda profonda.
Rispetto alle normali fonti di luce, l'energia di radiazione di maser e laser a microonde è concentrata in un intervallo di frequenza molto stretto. Pertanto, queste due invenzioni possono essere considerate come localizzare le onde elettromagnetiche nello spazio di frequenza attraverso radiazioni stimolate. Le radiazioni stimolate possono anche essere utilizzate per localizzare le onde elettromagnetiche nel tempo, nel momento e nelle dimensioni dello spazio. Localizzando le onde elettromagnetiche in queste dimensioni, le fonti di luce laser possono ottenere oscillazioni di frequenza estremamente stabili, impulsi ultra-corti, alta direzionalità e volumi in modalità estremamente piccoli, che ci consentono di misurare accuratamente il tempo, osservare il movimento rapido, trasmettere informazioni ed energia su lunghe distanze , raggiungere la miniaturizzazione del dispositivo e ottenere una risoluzione di imaging più elevata.
Dall'avvento dei laser, le persone hanno costantemente perseguito una più forte localizzazione di campi di luce in dimensioni come frequenza, tempo, slancio e spazio, promuovendo il rapido sviluppo della ricerca sulla fisica laser e dei dispositivi laser, rendendo i laser uno strumento potente per comprendere e utilizzare la natura .
Nella dimensione della frequenza, attraverso una cavità di alta qualità, il controllo del feedback e l'isolamento ambientale, i laser possono mantenere frequenze estremamente stabili, promuovendo scoperte in molte importanti ricerche scientifiche, come la condensazione di Bose-Einstein (premio Nobel in fisica), spettroscopia di precisione di precisione ( Premio Nobel 2005 in fisica) e rilevamento delle onde gravitazionali (premio Nobel in fisica 2017).
Nella dimensione del tempo, la tecnologia di bloccaggio della modalità e la tecnologia di generazione armonica di alto ordine rendono realtà gli impulsi laser UltraShort. Attraverso la localizzazione del tempo estremo, i laser Attosecondi possono produrre impulsi di luce che durano solo un ciclo ottico. Questa svolta consente di osservare i processi ultravellanti come il movimento degli elettroni nello strato interno degli atomi e ha vinto il premio Nobel del 2023 in fisica.
Nella dimensione del momento, lo sviluppo di laser a modalità singola di grandi dimensioni ha raggiunto un alto grado di localizzazione del campo leggero nello spazio del momento, rendendo altamente direzionale il raggio laser. Si prevede che il laser altamente collimato risultante promuoverà lo sviluppo di comunicazioni ottiche ad alta velocità interstellari a distanza ultra-lunga.
Nella dimensione spaziale, l'introduzione di plasmoni di superficie e meccanismi di localizzazione del campo della luce della singolarità consente al volume della modalità laser di rompere il limite di diffrazione ottica e raggiungere una scala inferiore a (λ/2n) 3 (dove λ è la lunghezza d'onda della luce dello spazio libero e n è l'indice di rifrazione del materiale), dando così alla luce nanolaners. L'emergere di nanolaser ha un significato di vasta portata per innovare la tecnologia dell'informazione e studiare l'interazione tra luce e materia in condizioni estreme.
3. Rompere il limite di diffrazione ottica
Più di 30 anni dopo l'invenzione del laser, con l'avanzamento della tecnologia di micro-machining e una comprensione più profonda della ricerca sulla fisica laser e dei dispositivi laser, sono stati sviluppati vari tipi di laser a micro-semiconduttore , Laser di difetti di cristallo fotonico e laser nanofili. Nel 1992, Bell Laboratories negli Stati Uniti si rese conto con successo il primo laser a micro-dischi, usando la modalità di Whispering Gallery nel micro-disk per consentire alla luce di riflettere ripetutamente nel micro-disco, generare feedback risonanti e raggiungere la loro. Nel 1999, il California Institute of Technology negli Stati Uniti ha realizzato il primo laser di difetti di cristallo fotonico introducendo difetti di punti nei cristalli fotonici bidimensionali per limitare la luce. Nel 2001, l'Università della California, Berkeley, ha realizzato con successo i laser a semiconduttore per la prima volta usando il volto finale di un nanofilo come riflettore. Questi laser riducono la dimensione della caratteristica all'ordine di una singola lunghezza d'onda del vuoto, ma a causa dei limiti del limite di diffrazione ottica, questi laser basati su risonatori dielettrici sono difficili da ridurre ulteriormente.
Nella geometria, la lunghezza del lato destro di un triangolo destro è inferiore alla lunghezza dell'ipotenusa. Su una scala microscopica, per rompere il limite di diffrazione, la lunghezza dei due lati ad angolo retto deve essere maggiore dell'ipotenusa. Nel 2009, tre squadre nel mondo hanno realizzato per la prima volta nanolalaser plasmonici che hanno sfondato il limite di diffrazione ottica. Tra questi, il team dell'Università della California, di Berkeley e dell'Università di Pechino si rese conto di una nanolaser plasmonica basata su una struttura a semiconduttore a semiconduttore unidimensionale; Il team della Eindhoven University of Technology nei Paesi Bassi e nella Arizona State University negli Stati Uniti ha sviluppato un nanolaser plasmonico basato su una struttura a piastra piatta a tre strati metal-monduduttore; Il team della Norfolk State University e della Purdue University negli Stati Uniti hanno dimostrato una struttura di nanolaser plasmonica della struttura del guscio core basato su un guscio medio di guadagno in metallo in metallo basato sulla risonanza plasmonica di superficie localizzata.
In altre parole, introducendo unità immaginarie nell'equazione di dispersione, gli scienziati hanno effettivamente costruito un triangolo speciale con un lato destro più lungo dell'ipotenusa. È questo triangolo speciale che ci consente di ottenere fisicamente una più forte localizzazione del campo di luce.
Dopo più di 10 anni di sviluppo, i nanolaser plasmonici hanno dimostrato eccellenti caratteristiche come volume in modalità estremamente piccola, velocità di modulazione ultraveloce e basso consumo di energia. Tuttavia, rispetto ai materiali dielettrici, sebbene l'effetto plasmonico abbini il campo luminoso con l'oscillazione collettiva di elettroni liberi nei metalli per ottenere una più forte localizzazione del campo di luce, questo accoppiamento introduce anche perdite ohmiche intrinseche, portando alla generazione di calore, che a sua volta aumenta la potenza del dispositivo consumo e limita il suo tempo di coerenza.
Nel 2024, il team dell'Università di Pechino propose una nuova equazione di dispersione di singolarità, rivelando le caratteristiche di dispersione della nanoantenna intelettrica a cravatta arcuata. Incorporando la nanoantenna a cravatta a prua nella struttura di nanocavità angolare proposta dal team dell'Università di Pechino, per la prima volta è stata realizzata una nanolaser dielettrica di singolarità che rompe il limite di diffrazione ottica in un sistema dielettrico. Questo design strutturale consente al campo di luce di essere compresso all'estremo e teoricamente può raggiungere un volume di modalità infinitamente piccolo, che è molto più piccolo del limite di diffrazione ottica. Inoltre, la struttura sofisticata della nanocavità angolare migliora ulteriormente la capacità di stoccaggio del campo leggero, dando al nanolaser di singolarità un fattore di qualità ultra-alta e il suo fattore ottico di qualità della cavità (cioè il rapporto tra l'energia immagazzinata nella cavità ottica all'energia persa per ciclo) può superare 1 milione.
Il team dell'Università di Pechino ha ulteriormente sviluppato la tecnologia dell'array a fasi a frequenza ottica basata sui nanolaser. Hanno dimostrato con successo il potente potenziale della tecnologia di laser coerente array controllando con precisione la lunghezza d'onda e la fase di lasing di ciascun nanolaser nell'array laser. Ad esempio, il team ha utilizzato questa tecnologia per ottenere un laser coerente di array di frequenza ottica in modelli come "P", "K", "U", "Cina" e "Cina", dimostrando le sue ampie prospettive di applicazione nei campi della fotonica integrata , array di fonti di luce micro-nano e comunicazioni ottiche. (Autore: Ma Renmin, professore della School of Physics, Peching University)
