Reunir fuerzas opuestas en un solo lugar es tan desafiante como imagina, pero los investigadores en el campo de la ciencia óptica han hecho precisamente eso.

Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) han creado por primera vez un solo dispositivo que actúa como láser y como anti-láser. y demostraron estas dos funciones opuestas en una frecuencia dentro de la banda de telecomunicaciones.

Sus hallazgos, informó en un artículo que se publicará el lunes, 7 de noviembre en el diario Fotónica de la naturaleza , sentar las bases para desarrollar un nuevo tipo de dispositivo integrado con la flexibilidad de operar como un láser, un amplificador, un modulador, y un absorbedor o detector.

"En una sola cavidad óptica logramos tanto una amplificación de luz coherente como una absorción a la misma frecuencia, un fenómeno contradictorio porque estos dos estados se contradicen fundamentalmente, "dijo el investigador principal del estudio, Xiang Zhang, científico principal de la facultad de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab. "Esto es importante para la modulación de alta velocidad de pulsos de luz en la comunicación óptica".

Invertir el láser

El concepto de anti-láseres, o absorbente perfecto coherente (CPA), surgió en los últimos años como algo que invierte lo que hace un láser. En lugar de amplificar fuertemente un haz de luz, un anti-láser puede absorber completamente los rayos de luz coherentes entrantes.

Si bien los láseres ya son omnipresentes en la vida moderna, Las aplicaciones de los anti-láseres, demostradas por primera vez hace cinco años por investigadores de la Universidad de Yale, aún se están explorando. Debido a que los anti-láseres pueden captar señales coherentes débiles en medio de un fondo incoherente "ruidoso", Podría utilizarse como detector químico o biológico extremadamente sensible.

Un dispositivo que pueda incorporar ambas capacidades podría convertirse en un valioso pilar para la construcción de circuitos integrados fotónicos, dijeron los investigadores.

"El control bajo demanda de la luz desde la absorción coherente hasta la amplificación coherente nunca se había imaginado antes, y sigue siendo muy buscado en la comunidad científica, "dijo el autor principal del estudio, Zi Jing Wong, investigador postdoctoral en el laboratorio de Zhang. "Este dispositivo puede permitir potencialmente un gran contraste en la modulación sin límites teóricos".

Los investigadores utilizaron tecnología de nanofabricación sofisticada para construir 824 pares repetidos de materiales de ganancia y pérdida para formar el dispositivo. que medía 200 micrómetros de largo y 1,5 micrómetros de ancho. Una sola hebra de cabello humano en comparación, tiene unos 100 micrómetros de diámetro.

El medio de ganancia estaba hecho de fosfuro de arseniuro de galio indio, un material bien conocido utilizado como amplificador en comunicaciones ópticas. El cromo emparejado con germanio formó el medio de pérdida. La repetición del patrón creó un sistema resonante en el que la luz rebota hacia adelante y hacia atrás en todo el dispositivo para aumentar la amplificación o la magnitud de absorción.

Si uno va a enviar luz a través de un sistema de repetición de pérdida-ganancia, una suposición fundamentada es que la luz experimentará cantidades iguales de amplificación y absorción, y la luz no cambiará de intensidad. Sin embargo, este no es el caso si el sistema satisface las condiciones de simetría paridad-tiempo, que es el requisito clave en el diseño del dispositivo.

Equilibrio y simetría

La simetría de paridad-tiempo es un concepto que evoluciona a partir de la mecánica cuántica. En una operación de paridad, las posiciones se invierten, como que la mano izquierda se convierta en la mano derecha, o viceversa.

Ahora agregue la operación de inversión de tiempo, que es similar a rebobinar un video y observar la acción al revés. La acción inversa en el tiempo de un globo inflado, por ejemplo, sería ese mismo globo desinflando. En óptica, la contraparte de tiempo invertido de un medio de ganancia amplificadora es un medio de pérdida absorbente.

Se dice que un sistema que vuelve a su configuración original al realizar tanto operaciones de paridad como de inversión de tiempo cumple la condición de simetría de paridad-tiempo.

Poco después del descubrimiento del anti-láser, Los científicos habían predicho que un sistema que exhibiera simetría de paridad-tiempo podría soportar tanto láseres como anti-láseres a la misma frecuencia en el mismo espacio. En el dispositivo creado por Zhang y su grupo, la magnitud de la ganancia y la pérdida, el tamaño de los bloques de construcción, y la longitud de onda de la luz que se mueve a través se combinan para crear condiciones de simetría de paridad-tiempo.

Cuando el sistema está equilibrado y la ganancia y la pérdida son iguales, no hay amplificación o absorción neta de la luz. Pero si las condiciones se alteran de tal manera que se rompa la simetría, Se puede observar una amplificación y absorción coherentes.

En los experimentos, Se dirigieron dos haces de luz de igual intensidad hacia los extremos opuestos del dispositivo. Los investigadores encontraron que al ajustar la fase de una fuente de luz, pudieron controlar si las ondas de luz pasaban más tiempo amplificando o absorbiendo materiales.

Acelerar la fase de una fuente de luz da como resultado un patrón de interferencia que favorece el medio de ganancia y la emisión de luz coherente amplificada. o un modo láser. Reducir la fase de una fuente de luz tiene el efecto contrario, resultando en más tiempo pasado en el medio de pérdida y la absorción coherente de los haces de luz, o un modo anti-láser.

Si la fase de las dos longitudes de onda son iguales y entran al dispositivo al mismo tiempo, no hay amplificación ni absorción porque la luz pasa el mismo tiempo en cada región.

Los investigadores apuntaron a una longitud de onda de aproximadamente 1, 556 nanómetros, que está dentro de la banda utilizada para telecomunicaciones ópticas.

"Este trabajo es la primera demostración de ganancia y pérdida equilibrada que satisface estrictamente las condiciones de simetría de paridad-tiempo, conduciendo a la realización de láser y anti-láser simultáneos, "dijo el coautor del estudio, Liang Feng, ex investigador postdoctoral en el laboratorio de Zhang, y ahora profesor asistente de ingeniería eléctrica en la Universidad de Buffalo. "El logro exitoso de láser y anti-láser en un solo dispositivo integrado es un paso significativo hacia el límite máximo de control de luz".