W tradycyjnym laserze to układ dwóch zwierciadeł zamkniętych wokół ośrodka aktywnego – gazu, kryształu lub półprzewodnika – umożliwia wielokrotne odbijanie fotonów. W ten sposób powstaje rezonans, który wzmacnia emisję światła i zapewnia mu koherencję. Ale zespół prof. Helmuta Ritscha z Uniwersytetu w Innsbrucku postanowił pójść dalej – usunąć zwierciadła całkowicie. W nowym modelu światło nie jest wzmacniane przez odbicia, lecz przez bezpośrednie oddziaływania między atomami, które znajdują się niezwykle blisko siebie – w odległościach mniejszych niż długość fali emitowanego światła.
W takich warunkach każdy atom zaczyna “czuć” pola elektromagnetyczne swoich sąsiadów. Te subtelne, kwantowe interakcje dipol-dipol prowadzą do zjawiska synchronizacji emisji. Jeśli system zostanie dostatecznie silnie wzbudzony, atomy zaczynają promieniować kolektywnie, tworząc zjawisko zwane emisją nadpromienistą. To właśnie ono zastępuje klasyczny rezonator.
Jak działa laser bez zwierciadeł
W opisywanym modelu tylko część atomów jest aktywnie “pompowana” energią z zewnątrz, podczas gdy pozostałe – tzw. emitery pasywne – pozostają w stanie spoczynku. To właśnie one pełnią rolę naturalnego rezonatora: nie są poszerzane przez zewnętrzne światło, więc stabilizują i zawężają emitowaną częstotliwość.
Czytaj też: Bezpieczne dla oka lasery stały się rzeczywistością. Technologia PCSEL otworzy drzwi do nowych zastosowań
Dr Anna Bychek z Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu w Innsbrucku mówi:
Atomy synchronizują swoją emisję i po przekroczeniu pewnego progu zaczynają świecić wspólnie, jednym głosem. Choć wciąż mamy wiele pytań, już teraz widać, że atomy potrafią same stworzyć mechanizm sprzężenia zwrotnego i selekcji częstotliwości w przestrzeni swobodnej.
Efekt jest zdumiewający: generowane światło jest jednocześnie bardzo wąskopasmowe i silnie kierunkowe, mimo że w układzie nie ma żadnych luster ani wnęki optycznej. W pewnym sensie to światło “organizuje się samo” – wynik czystej dynamiki kwantowej w silnie sprzężonym układzie wielu cząstek.
Badacze połączyli teorię oddziaływań światła z materią z nowoczesnymi metodami numerycznymi, by zrozumieć, jak duże zespoły atomów zachowują się, gdy odległości między nimi są mniejsze niż długość fali emisji. W takim reżimie pojawiają się efekty kolektywne – atomy przestają być niezależnymi emiterami, a stają się elementami jednego, zintegrowanego układu kwantowego.
Kiedy energia pompowania przekroczy pewien próg, z chaotycznego “szumu” pojawia się uporządkowany sygnał: koherentna wiązka światła. To moment przejścia fazowego – analogiczny do tego, jaki zachodzi w klasycznym laserze przy tzw. progu laserowania – z tą różnicą, że tutaj sprzężenie i rezonans powstają naturalnie, bez elementów optycznych.
Wyniki badań opisane w Physical Review Letters pokazują, że nawet niewielka liczba atomów, rozmieszczonych gęsto w nanoskali, może generować spójną, emisję nadpromienistą o wyjątkowej czystości widmowej. W praktyce oznacza to, że w przyszłości lasery można będzie tworzyć w rozmiarach mniejszych niż długość fali światła, bez konieczności stosowania mikroskopijnych zwierciadeł.
Choć na razie mamy do czynienia z modelem teoretycznym, autorzy podkreślają, że dzięki szybkiemu rozwojowi technologii nanofotonicznych i kwantowych możliwe jest eksperymentalne potwierdzenie zjawiska już w najbliższych latach.