Reinventarea laserului: noile idei din mecanica cuantică ar putea anunța o revoluție

Laserele au fost create în urmă cu 60 de ani, atunci când trei dispozitive laser diferite au fost dezvăluite de laboratoare independente de cercetare din Statele Unite.

Astăzi, laserul este utilizat în nenumărate discipline ale științei, medicină și în tehnologiile de zi cu zi, având o piață de peste 11 miliarde USD pe an.

O diferență crucială între lasere și sursele tradiționale de lumină este ”coerența temporală” a fasciculului sau doar coerența. Coerența unui fascicul laser poate fi măsurată printr-un număr C care ţine cont de faptul că lumina este atât o undă, cât și o particulă.

Chiar înainte de crearea laserelor, fizicienii au crezut că știu exact cât de coerent ar putea fi un laser.

Recent, două noi studii (unul realizat de mine și colegii din Australia, celălalt de o echipă de fizicieni americani) au arătat că coerenta C poate fi mult mai mare decât se credea anterior.

 Laser. Credit:Ludmila Odintsova

Cât de coerent poate deveni un laser?

Coerența C este aproximativ egală cu numărul de fotoni (particule de lumină) emişi consecutiv în fascicul având aceeași fază. Pentru laserele obişnuite, C este foarte mare. Miliarde de fotoni sunt emişi într-un fascicul laser.

Ca urmare a acestui grad ridicat de coerență, laserele sunt potrivite pentru aplicații de înaltă precizie.

De exemplu, în multe computere cuantice vom avea nevoie de un fascicul de lumină foarte coerent, la o frecvență specifică, pentru a controla un număr mare de qubiți pe o perioadă lungă de timp. Viitoarele computere cuantice ar putea avea nevoie de surse de lumină cu o coerență și mai mare.

Fizicienii au crezut că coerența maximă posibilă a unui laser este guvernată de o regulă cunoscută sub numele de limita Schawlow-Townes. Aceasta poartă numele celor doi fizicieni americani care au obţinut-o teoretic în anul 1958 și care au câștigat premiul Nobel pentru cercetările lor în domeniul laserelor.

Schawlow şi Townes au afirmat că coerența C a fasciculului laser nu poate fi mai mare decât pătratul lui N, care este numărul de excitații de energie din interiorul laserului. Aceste excitații ar putea fi fotoni sau ar putea fi atomi aflaţi într-o stare excitată.

Laserele conțin un număr imens de fotoni care se deplasează împreună. Credit: Peng Jiajie/Wikimedia Commons, CC BY

Depăşirea limitei

Recent au apărut două lucrări teoretice care răstoarnă limita Schawlow-Townes prin reinventarea laserului.

Practic, Schawlow și Townes au făcut presupuneri despre modul în care energia este adăugată la laser (câștig) și cum este eliberată pentru a forma fasciculul (pierderea).

Ipotezele utilizate aveau sens în acel moment și se aplică în continuare laserelor construite astăzi, dar nu sunt cerute de mecanică cuantică. Odată cu progresele uimitoare care au avut loc în tehnologia cuantică în ultimul deceniu, imaginația noastră nu trebuie să fie limitată de aceste ipoteze standard.

Prima lucrare, publicată în Nature Physics, este realizată de grupul meu de cercetare de la Universitatea Griffith și un colaborator de la Universitatea Macquarie. Am introdus un nou model care diferă de laserul standard atât în ​​procesele de câștig cât și în cele de pierdere şi pentru care coerența C este de până la N la puterea a patra.

Într-un laser, care conține la fel de mulți fotoni ca un laser obișnuit, acest lucru ar permite ca C să fie mult mai mare decât înainte. Mai mult, arătăm că un laser de acest fel ar putea fi, în principiu, construit folosind tehnologia qubiţilor și circuitelor supraconductoare, care este utilizată în cele mai de succes computere cuantice.

A doua lucrare, care a fost realizată de o echipă de cercetători de la Universitatea din Pittsburgh, nu a fost încă publicată pentru a fi evaluată de către fizicieni, dar a apărut recent într-o arhivă de studii preprint. Acești autori folosesc o abordare oarecum diferită, dar propun un model de laser în care C se măreşte până la N la puterea a treia. Aceşti cercetători propun, de asemenea, construirea laserului folosind dispozitive supraconductoare.

Este important de reținut că, în ambele cazuri, noul tip de laser nu ar produce un fascicul de lumină vizibilă, ci mai degrabă un fascicul de microunde. Aşa cum remarcă, în mod explicit, autorii celei de-a doua lucrări, acesta este exact tipul de sursă necesar pentru calculul cuantic supraconductor.

Coerența poate fi şi mai mare?

Limita standard este că C este proporțional cu N², grupul Pittsburgh a obținut C proporțional cu N³, iar modelul nostru are C proporțional cu N⁴.

Ar putea un alt model de laser să obțină o coerență și mai mare?

Nu, dacă fasciculul laser are proprietățile de coerență ideale pe care le așteptăm de la un fascicul laser.

Acesta este un alt rezultat dovedit în lucrarea noastră din Nature Physics. Coerența proporțională cu puterea a patra a numărului de fotoni este cea mai bună pe care o permite mecanica cuantică și credem că este realizabilă fizic.

O limită finală realizabilă care depășește ceea ce se poate realiza cu metodele standard este cunoscută sub numele de limita Heisenberg. Aceasta este legată de principiul incertitudinii al lui Heisenberg.

Realizarea unui laser a cărui coerență este limitată doar de limita Heisenberg ar fi o revoluție în proiectarea și performanța laserelor. De asemenea, s-ar impune o regândire fundamentală a ceea ce este un laser.

Definiţia laserului nu s-ar mai limita la tipurile actuale de dispozitive, ci la orice dispozitiv care transformă intrările cu coerență mică într-o ieșire de coerență foarte mare.

Rămâne de văzut dacă laserele standard vor fi înlocuite de lasere a căror coerență este limitată doar de limita Heisenberg, cel puțin în unele aplicații.

Traducere după Reimagining the laser: new ideas from quantum theory could herald a revolution