Вченим вдалося створити мікрохвильовий лазер нового типу

Відомо, що лазери, пристрої, що випромінюють когерентне і монохроматичне світло з певною довжиною хвилі, широко використовуються в даний час в найрізноманітніших областях.

Медики використовують лазери для корекції зору, світло лазерів дозволяє просканувати покупки, придбані в найближчому супермаркеті, а кількість областей застосування лазерів в науці взагалі важко піддається обчисленню. У більшості випадків для задоволення всіх нагальних потреб достатньо можливостей традиційних лазерів, що не відрізняються надвисокою стабільністю і ефективністю. Однак, в деяких областях, наприклад, в квантових обчисленнях, енергія світла щодо потужного лазера може зруйнувати крихкий стан квантової системи. Тому вчені протягом вже 40 років займалися пошуками ефективних, мініатюрних і стабільних мікрохвильових лазерів, енергія випромінювання яких не завдає великої шкоди надзвичайно холодному навколишньому середовищу, в якому доводиться працювати більшості сучасних квантових технологій.

Новий тип мікроскопічного мікрохвильового лазера вдалося розробити групі Лео Кувенховена (Leo Kouwenhoven) з Технологічного університету Дельфта (TU Delft). В основі принципу роботи цього лазера лежить один з фундаментальних ефектів, пов’язаний з явищем надпровідності, так званий перехід Джозефсона (Josephson junction). Перехід Джозефсона виникає в місці тонкого розриву надпровідного провідника. При додатку до цього переходу електричної напруги певної величини через нього починає текти електричний струм. Цей струм виникає за рахунок ефекту квантового тунелювання електронів і він має імпульсних характер. Частота імпульсів цього струму залежить від величини прикладеної напруги і від маси інших зовнішніх факторів, що робить перехід Джозефсона ідеальним чутливим елементом і перетворювачем для різних датчиків.

Однак вченим вдалося перетворити єдиний перехід Джозефсона в високоякісний стабільний мікрохвильовий лазер, розмір якого можна порівняти з розміром мурашки. За аналогією зі звичайними лазерами, перехід Джозефсона в даному випадку виступає в ролі єдиного атома, поміщеного в западину оптичного резонатора. Краї цієї западини працюють в якості дзеркал традиційного лазера, а резонансна частота западини відповідає частоті мікрохвильових фотонів, випромінюваних переходом Джозефсона. Пристрій охолоджується до наднизької, менш одного градуса Кельвіна, температури і до переходу Джозефсона прикладається певне електричну напругу. Перехід починає випускати мікрохвильові фотони, які, як в звичайному лазері, відбиваються від дзеркал і змушують перехід випромінювати інші фотони, синхронізовані по фазі і розі поляризації з раніше випромінювання фотонами.

В результаті роботи такого лазера він випромінює промінь, що складається з наступних один за одним мікрохвильових фотонів. Оскільки лазер виготовлений з надпровідних матеріалів, то для його роботи потрібні зовсім крихти, упродовж як мінімум пікоВатт, енергії.

Крім високої стабільності роботи і малої кількості споживаної енергії, створений вченими лазер на переході Джозефсона підходить для його інтеграції на кристали чіпів квантових та інших систем. Більш того, режимом роботи цього лазера можна легко управляти традиційними електричними способами. І що особливо важливо, такий лазер може використовуватися для отримання “стисненого по амплітуді” світла, який, в свою чергу, використовується в протоколах квантових комунікаційних і обчислювальних системах.