I fisici hanno creato un microlaser che emette due raggi circolari

Ottenuto microlaser sintonizzabile che emette due raggi. I raggi sono polarizzati circolarmente e diretti ad angoli differenti. Credito: Mateusz Krol, Facoltà di Fisica, Università di Varsavia

Scienziati dell’Università di Varsavia, dell’Università di tecnologia militare e dell’Università di Southampton hanno presentato un nuovo tipo di microlaser sintonizzabile che emette due fasci. “Questi raggi sono polarizzati circolarmente e diretti a diverse angolazioni”, afferma il prof. Jacek Szczytko della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia. Questo risultato è stato ottenuto creando la cosiddetta elica di spin persistente sulla superficie della microcavità. I risultati sono stati pubblicati in Revisione fisica applicata.

Per ottenere questo effetto, gli scienziati hanno riempito il microcav ottico con un cristallo liquido drogato con un colorante laser organico. La microcavità è costituita da due specchi perfetti posti uno vicino all’altro, a una distanza di 2-3 micron, in modo che all’interno si formi un’onda elettromagnetica stazionaria. Lo spazio tra gli specchi è stato riempito con uno speciale mezzo ottico, il cristallo liquido, che è stato ulteriormente organizzato utilizzando uno speciale rivestimento a specchio.

“La caratteristica dei cristalli liquidi sono le loro molecole allungate e, in senso figurato, erano ‘pettinate’ sulla superficie degli specchi e potevano reggersi sotto l’influenza di un campo elettrico esterno, trasformando anche altre molecole che riempivano la cavità”, afferma primo autore, Marcin Muszynski, della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia.

La luce nella cavità interagisce con le molecole in modi diversi quando il campo elettrico dell’onda che si propaga oscilla lungo le molecole e quando le oscillazioni sono perpendicolari ad esse. Il cristallo liquido è un mezzo birifrangente, può essere caratterizzato da due indici di rifrazione, che dipendono dalla direzione delle oscillazioni del campo elettrico (cioè la cosiddetta polarizzazione dell’onda elettromagnetica).

La precisa disposizione delle molecole all’interno della microcavità laser, ottenuta presso la Military University of Technology, ha portato alla comparsa di due modalità di luce polarizzate linearmente nella cavità: due onde stazionarie di luce con polarizzazioni lineari opposte. Il campo elettrico ha cambiato l’orientamento delle molecole all’interno della cavità ottica, che ha cambiato l’indice di rifrazione effettivo degli strati di cristalli liquidi. Pertanto, controllava la lunghezza del cosiddetto percorso ottico della luce, il prodotto della larghezza della cavità e dell’indice di rifrazione da cui dipende l’energia (colore) della luce emessa. Una delle modalità non ha cambiato la sua energia mentre le molecole ruotavano, mentre l’energia dell’altra è aumentata quando l’orientamento delle molecole è cambiato.

Stimolando otticamente il colorante organico posto tra le molecole del cristallo liquido, è stato ottenuto un effetto laser: una radiazione luminosa coerente con un’energia rigorosamente definita. La graduale rotazione delle molecole di cristalli liquidi ha portato a proprietà inaspettate di questo laser. Il laser è stato ottenuto per questa modalità sintonizzabile: il laser emetteva un raggio polarizzato linearmente perpendicolare alla superficie degli specchi. L’uso di cristalli liquidi ha consentito una sintonizzazione regolare della lunghezza d’onda della luce con il campo elettrico fino a 40 nm.

“Tuttavia, quando abbiamo ruotato le molecole di cristalli liquidi in modo che entrambe le energie dei modi, quella sensibile all’orientamento delle molecole e quella che non cambiava la sua energia, si sovrapponessero (cioè erano in risonanza), la luce emessa dalla cavità ha improvvisamente cambiato la sua polarizzazione da lineare a due circolari: destrorsa e mancina, con entrambe le polarità circolari che si propagano in direzioni diverse, con un angolo di diversi gradi”, afferma il prof. Jacek Szczytko, della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia.

La coerenza di fase del laser è stata confermata in modo interessante. “La cosiddetta elica di spin persistente – un motivo di strisce con diversa polarizzazione della luce, distanziate di 3 micron – è apparsa sulla superficie del campione. I calcoli teorici mostrano che un tale schema può essere formato quando due fasci polarizzati opposti sono coerenti in fase ed entrambi i modi della luce sono inseparabili: questo fenomeno è paragonato all’entanglement quantistico”, spiega Marcin Muszynski.

Finora, il laser funziona a impulsi perché il colorante organico utilizzato si fotodegrada lentamente sotto l’influenza di una luce intensa. Gli scienziati sperano che la sostituzione dell’emettitore organico con polimeri più durevoli o materiali inorganici (ad es. perovskiti) consentirà una maggiore durata.

“Il laser sintonizzabile con precisione ottenuto può essere utilizzato in molti campi della fisica, della chimica, della medicina e della comunicazione. Utilizziamo fenomeni non lineari per creare una rete neuromorfica completamente ottica. Questa nuova architettura fotonica può fornire un potente strumento di apprendimento automatico per risolvere complesse classificazioni e inferenze problemi e per elaborare grandi quantità di informazioni con velocità ed efficienza energetica crescenti”, aggiunge il Prof. Barbara Pietka, della Facoltà di Fisica UW.


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Maggiori informazioni:
Marcin Muszyński et al, Realizzazione del laser a rotazione elicoidale persistente nel regime dell’accoppiamento spin-orbita di Rashba-Dresselhaus in una microcavità ottica a cristalli liquidi riempita di colorante, Revisione fisica applicata (2022). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.17.014041

Fornito dall’Università di Varsavia

Citazione: I fisici hanno creato un microlaser che emette due raggi circolari (2022, 23 marzo) recuperato il 25 marzo 2022 da https://phys.org/news/2022-03-physicists-microlaser-emitting-circular.html

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