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Energia

Laser quântico transforma perda de energia em ganho

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/07/2021

Laser quântico transforma perda de energia em ganho
O acoplamento direto entre os modos ascendente e descendente em uma microcavidade simétrica leva à quebra da simetria paridade-tempo com uma transição de fase de baixo limiar.
[Imagem: KAIST]

Mistura matéria e luz

Físicos coreanos construíram um laser que gera partículas quânticas altamente interativas em temperatura ambiente.

A inovação promete nada menos do que raios laser que exigem um limiar de energia mais baixo conforme sua perda de energia aumenta.

O sistema envolve disparar o feixe original de luz através de uma única microcavidade hexagonal revestida com um substrato de nitreto de silício. Essa estrutura leva à geração de um tipo de laser chamado laser polariton, ou laser de polaritons, só que funcionando a temperatura ambiente, quando as demonstrações prévias dos laser de polaritons foram feitas a temperaturas criogênicas.

Polaritons são quasipartículas resultantes da interação entre fótons (luz) e excitons (matéria).

Perda de energia vira ganho

Outra característica única e contra-intuitiva desse projeto é que, normalmente, perde-se energia durante a operação de um laser. Mas, neste sistema, à medida que a perda de energia aumenta, a quantidade de energia necessária para induzir o laser diminui.

Explorar esse fenômeno pode levar ao desenvolvimento de lasers de baixo limiar e alta eficiência, para futuros dispositivos fotônicos e tecnologias quânticas baseadas na luz.

"Este sistema aplica um conceito da física quântica conhecido como reversão da simetria de paridade-tempo," explicou o professor Yong-Hoon Cho, do Instituto KAIST. "Esta é uma plataforma fundamental que permite que a perda de energia seja usada como ganho. Ela pode ser usada para reduzir a energia de limiar do laser para dispositivos e sensores ópticos clássicos, bem como para dispositivos quânticos e para controlar a direção da luz."

Laser quântico transforma perda de energia em ganho
Esquema de funcionamento do laser de polaritons.
[Imagem: Hyun Gyu Song et al. - 10.1038/s41566-021-00820-z]

Laser polariton

A chave da inovação está tanto nos materiais utilizados, quanto no projeto da cavidade onde a luz fica refletindo até gerar o laser.

A microcavidade hexagonal divide as partículas de luz em dois modos diferentes: Um que passa pelo triângulo voltado para cima do hexágono, e outro que passa pelo triângulo voltado para baixo. Ambos os modos das partículas de luz têm a mesma energia e a mesma rota, mas elas não interagem entre si.

No entanto, as partículas de luz interagem com outras partículas, chamadas excitons, fornecidas pela microcavidade hexagonal, que é feita de semicondutores. Essa interação leva à geração de novas partículas quânticas, chamadas polaritons que, então, interagem entre si para gerar o laser polariton.

Ao controlar o grau de perda entre a microcavidade e o substrato semicondutor, surge um fenômeno intrigante, com o limiar de energia tornando-se menor à medida que a perda de energia aumenta. Os físicos agora estão se debruçando sobre as teorias que possam explicar esse comportamento inusitado.

Bibliografia:

Artigo: Room-temperature polaritonic non-Hermitian system with single microcavity
Autores: Hyun Gyu Song, Minho Choi, Kie Young Woo, Chung Hyun Park, Yong-Hoon Cho
Revista: Nature Photonics
DOI: 10.1038/s41566-021-00820-z
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