Científicos de la Universidad de Varsovia, la Universidad Militar de Tecnología y la Universidad de Southampton presentaron un nuevo tipo de microláser sintonizable que emite dos haces. "Estos rayos están polarizados circularmente y dirigidos en diferentes ángulos", dice el prof. Jacek Szczytko de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia. Este logro se obtuvo creando la denominada hélice de espín persistente en la superficie de la microcavidad. Los resultados han sido publicados en Physical Review Applied .

Para lograr este efecto, los científicos llenaron la microcavidad óptica con un cristal líquido dopado con un tinte láser orgánico. La microcavidad consta de dos espejos perfectos colocados cerca uno del otro, a una distancia de 2-3 micras, de modo que en su interior se forma una onda electromagnética estacionaria. El espacio entre los espejos se llenó con un medio óptico especial, cristal líquido, que se organizó adicionalmente mediante un revestimiento de espejo especial.

"El rasgo característico de los cristales líquidos son sus moléculas alargadas y, en sentido figurado, se 'peinaban' en la superficie de los espejos y podían levantarse bajo la influencia de un campo eléctrico externo, girando también otras moléculas que llenaban la cavidad", dice primer autor, Marcin Muszynski, de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia.

La luz en la cavidad interactúa con las moléculas de diferentes maneras cuando el campo eléctrico de la onda que se propaga oscila a lo largo de las moléculas y cuando las oscilaciones son perpendiculares a ellas. El cristal líquido es un medio birrefringente:puede caracterizarse por dos índices de refracción, que dependen de la dirección de las oscilaciones del campo eléctrico (es decir, la llamada polarización de ondas electromagnéticas).

La disposición precisa de las moléculas dentro de la microcavidad láser, obtenida en la Universidad Tecnológica Militar, dio como resultado la aparición de dos modos de luz polarizados linealmente en la cavidad, es decir, dos ondas de luz estacionarias con polarizaciones lineales opuestas. El campo eléctrico cambió la orientación de las moléculas dentro de la cavidad óptica, lo que cambió el índice de refracción efectivo de las capas de cristal líquido. Por lo tanto, controlaba la longitud del llamado camino óptico de la luz, el producto del ancho de la cavidad y el índice de refracción del que depende la energía (color) de la luz emitida. One of the modes did not change its energy as the molecules rotated, while the energy of the other increased as the orientation of the molecules changed.

By optically stimulating the organic dye placed between the molecules of the liquid crystal, a lasing effect was obtained—coherent light radiation with a strictly defined energy. The gradual rotation of the liquid crystal molecules led to unexpected properties of this lasing. The lasing was achieved for this tunable mode:The laser emitted one linearly polarized beam perpendicular to the surface of the mirrors. The use of liquid crystals allowed for a smooth tuning of the light wavelength with the electric field by as much as 40 nm.

"However, when we rotated the liquid crystal molecules so that both energy of modes—the one sensitive to the orientation of the molecules and the one that did not change its energy—overlapped (that is, they were in resonance), the light emitted from the cavity suddenly changed its polarization from linear to two circular:right- and left-handed, with both circular polarities propagating in different directions, at an angle of several degrees," says Prof. Jacek Szczytko, from the Faculty of Physics of the University of Warsaw.

The phase coherence of the laser has been confirmed in an interesting way. "The so-called persistent-spin helix—pattern of stripes with different polarization of light, spaced 3 microns apart—appeared on the surface of the sample. Theoretical calculations show that such a pattern can be formed when two oppositely polarized beams are phase coherent and both modes of light are inseparable—this phenomenon is compared to quantum entanglement," explains Marcin Muszynski.

So far, the laser works in pulses because the organic dye that was used slowly photodegrades under the influence of intensive light. Scientists hope that replacing the organic emitter with more durable polymers or inorganic materials (e.g., perovskites) will allow for longer lifetime.

"The obtained precisely tunable laser can be used in many fields of physics, chemistry, medicine and communication. We use nonlinear phenomena to create a fully optical neuromorphic network. This new photonic architecture can provide a powerful machine learning tool for solving complex classification and inference problems, and for processing large amounts of information with increasing speed and energy efficiency," adds Prof. Barbara Pietka, from The Faculty of Physics UW. + Explora más

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