Emisión supertérmica en nanoláseres semiconductores

Un estudio internacional con participación de la UIB publicado en Physical Review X 

 Las fuentes de luz se pueden caracterizar por sus fluctuaciones de intensidad. Un ejemplo clásico contempla la emisión de la luz solar, la llamada radiación del cuerpo negro, que produce una estadística en la cual el número de fotones fluctúa a lo largo del tiempo con una ley exponencial. Desde una perspectiva cuántica, en esta estadística térmica los fotones se emiten en manojos caóticos. Es decir que se recibe a veces muchos fotones, y otra vez pocos. Este agrupamiento de fotones es también llamado «photon Bunching». De manera opuesta, algunos sistemas, esencialmente cuánticos, permiten la emisión de fotones en un régimen de «anti-bunching». Es decir, el número de fotones recibido a lo largo del tiempo es casi constante, un poco como si los fotones quisieran evitar agruparse.

Las fuentes láser, como sistemas dinámicos que viven a la frontera del mundo clásico y cuántico, presentan ambos regímenes. Por encima del umbral, las fuentes láser muestran pequeñas fluctuaciones. Por debajo de este mismo umbral, las fluctuaciones son grandes, ya que la emisión está dominada por el ruido cuántico de emisión espontáneo haciendo que la estadística vuelva a ser térmica.

Existe otro régimen de estado de la luz, que se llama luz súper-térmica. En este régimen, también conocido como fotón «super-bunching», las fluctuaciones son incluso más fuertes que las que se encuentran en la radiación solar. La generación de luz súper-térmica con una fuente láser compacta podría llevar a varias aplicaciones, como por ejemplo para las técnicas de obtención de imagen fantasma («ghost-imaging»), así como la conversión de energía no lineal y la información cuántica.

Recientemente, un equipo de investigadores compuesta del grupo de Ondas Non lineales del Departamento de Física de la Universidad de las Illes Balears, del Centro de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad de París-Saclay y de la Universidad de París-Diderot, ha revelado un nuevo y genérico mecanismo físico de emisión súper-térmica en nanoláseres de semiconductores utilizando el control transitorio de la dinámica fuera del equilibrio. Este trabajo fue publicado en la prestigiosa revista Physical Review X.

Los investigadores utilizaron dos nanoláseres fuertemente acoplados. Esta «molécula fotónica» tiene dos modos: un modo fundamental, fuera de fase, con bajas pérdidas ópticas (conocido como modo anti-bonding, o AB) y un modo en fase, con pérdidas más altas (conocido como modo bonding, o B). Con un bombeo constante, lo más probable es que sea el modo favorecido AB que funciona en régimen láser, mientras que el modo B permanezca suprimido. Los investigadores han demostrado que cuando se utiliza un bombeo con pulsos cortos, se impone una dinámica fuera del equilibrio a los dos modos de los fotones, y en consecuencia reglas diferentes.

A pesar de la complejidad de la dinámica, puede hacerse una analogía sencilla, y matemáticamente exacta. Así, se puede demostrar que la estadística relativa de los fotones en los modos de la molécula fotónica es idéntica a la distribución de altitud en una suspensión de partículas (como el polen en el agua, o bien el aire en la atmósfera). Utilizar un bombeo con pulsos cortos corresponde simplemente a hacer un enfriamiento rápido de las partículas. Este enfriamiento rápido, también llamado «quenching», deja rastros estadísticos en forma de distribuciones de fotones súper-térmicas. Esta distribución con colas largas presenta también analogías interesantes con la física de los eventos extremos.

Los resultados experimentales y teóricos de este estudio abren nuevas perspectivas en el moldeo de estadísticas de fotones con láseres multi-modo alejados del equilibrio.

Referencia bibliográfica

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.   

Fecha de publicación: Mon Jun 25 15:13:00 CEST 2018