Escoltar

Emissió supertèrmica en nanolàsers semiconductors

Un estudi internacional amb participació de la UIB, publicat a Physical Review X 

Les fonts de llum es poden caracteritzar per les seves fluctuacions d'intensitat. Un exemple clàssic és l'emissió de la llum solar, l'anomenada radiació del cos negre, que produeix una estadística en la qual el nombre de fotons fluctua al llarg del temps amb una llei exponencial. Des d'una perspectiva quàntica, en aquesta estadística tèrmica els fotons s'emeten en feixos caòtics. És a dir, que de vegades es reben molts fotons, i altres vegades, pocs. Aquest agrupament de fotons és també anomenat empaquetament de fotons (photon bunching). De manera oposada, alguns sistemes, essencialment quàntics, permeten l'emissió de fotons en un règim d'anti-bunching. És a dir, el nombre de fotons rebuts al llarg del temps és gairebé constant, una mica com si els fotons volguessin evitar d'agrupar-se.

Les fonts làser, com a sistemes dinàmics que viuen a la frontera del món clàssic i el quàntic, presenten tots dos règims. Per sobre del llindar, les fonts làser mostren petites fluctuacions. Per sota d'aquest mateix llindar les fluctuacions són grans, ja que l'emissió està dominada pel soroll quàntic d'emissió espontani que fa que l'estadística torni a ser tèrmica.

Hi ha un altre règim d'estat de la llum que es diu llum supertèrmica. En aquest règim, també conegut com a fotó super-bunching, les fluctuacions són fins i tot més fortes que les que es troben en la radiació solar. La generació de llum supertèrmica amb una font làser compacta podria portar a diverses aplicacions, com per exemple per a les tècniques d'obtenció d'imatge fantasma (ghost-imaging), així com la conversió d'energia no lineal i la informació quàntica.

Recentment, un equip d'investigadors compost pel grup de recerca en Ones no Lineals del Departament de Física de la Universitat de les Illes Balears, investigadors del Centre de Nanociència i Nanotecnologia de la Universitat de París-Saclay i de la Universitat de París-Diderot, ha revelat un nou i genèric mecanisme físic d'emissió supertèrmica en nanolàsers de semiconductors utilitzant el control transitori de la dinàmica fora de l'equilibri. Aquest treball s'ha publicat a la prestigiosa revista Physical Review X.

Els investigadors varen utilitzar dos nanolàsers fortament acoblats. Aquesta «molècula fotònica» té dos modes: un mode fonamental, fora de fase, amb baixes pèrdues òptiques (conegut com a mode anti-bonding, o AB) i un mode en fase, amb pèrdues més altes (conegut com a mode bonding, o B). Amb un bombament constant, el més probable és que sigui el mode AB que funcioni en règim làser, mentre que el mode B romangui suprimit. Els investigadors han demostrat que quan s'utilitza un bombament amb polsos curts, això imposa una dinàmica fora de l'equilibri a l'estadística dels dos modes dels fotons, i en conseqüència regles diferents.

Malgrat la complexitat de la dinàmica, pot fer-se una analogia senzilla, i matemàticament exacta. Així, es pot demostrar que l'estadística relativa dels fotons en els modes de la molècula fotònica és idèntica a la distribució d'altitud en una suspensió de partícules (com el pol·len en l'aigua, o bé l'aire en l'atmosfera). Utilitzar un bombament amb polsos curts correspon simplement a fer un refredament ràpid de les partícules. Aquest refredament ràpid, també anomenat quenching, deixa rastres estadístics en forma de distribucions de fotons supertèrmiques. Aquesta distribució amb cues llargues presenta també analogies interessants amb la física dels esdeveniments extrems.

Els resultats experimentals i teòrics d'aquest estudi obren noves perspectives en el modelatge d'estadístiques de fotons amb làsers multimode allunyats de l'equilibri.

Referència bibliogràfica

Mathias Marconi, Julien Javaloyes, Philippe Hamel, Fabrice Raineri, Ariel Levenson, and Alejandro M. Yacomotti. (2018, 31 de gener). «Far-from-Equilibrium Route to Superthermal Light in Bimodal Nanolasers». Physical Review X, 8, 011013. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevX.8.011013.  

Data de publicació: 25/06/2018