Физики предложили принципиально новый лазер без зеркал

Международная команда физиков из Инсбрукского университета и Гарвардского университета предложила принципиально новый способ генерации лазерного излучения — лазер без зеркал. Их исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, демонстрирует, что квантовые эмиттеры, расположенные на субволновых расстояниях, могут конструктивно синхронизировать своё фотонное излучение для создания яркого, очень узкополосного светового пучка даже при отсутствии какого-либо оптического резонатора.

В традиционных лазерах зеркала необходимы для многократного отражения света, стимулируя когерентное излучение возбуждённых атомов или молекул и таким образом усиливая свет. Но в новой «беззеркальной» концепции атомы взаимодействуют непосредственно через свои собственные электромагнитные дипольные поля, при условии что межатомное расстояние меньше длины волны излучаемого света. Когда система накачивается достаточной энергией, эти взаимодействия заставляют эмиттеры синхронизироваться и излучать коллективно — явление, называемое сверхизлучательной эмиссией.

Команда под руководством Хельмута Рича обнаружила, что это коллективное излучение генерирует свет, который является одновременно высоконаправленным и спектрально чистым, с единственной узкой спектральной линией, в случаях, когда только часть эмиттеров возбуждается лазером, а остальные атомы остаются невозбуждёнными. Поскольку эта пассивная фракция эмиттеров не уширяется накачивающим лазером или уширением мощности, она эффективно действует как оптический резонатор для активных эмиттеров, по аналогии с обычным лазером, где оптический резонатор и активная среда являются отдельными физическими объектами.

«Атомы синхронизируют своё излучение и, выше определённого порога, начинают излучать свет коллективно или унисонно друг с другом, — объясняет Анна Бычек, постдок из департамента теоретической физики Инсбрукского университета. — Впереди ещё много вопросов для изучения в будущих работах, но ясно, что атомы создают собственный механизм обратной связи и селекции частоты посредством диполь-дипольного взаимодействия в свободном пространстве».

Помимо концептуальной значимости, это открытие указывает на новый класс ультракомпактных источников света для нанофотоники и прецизионных измерений. Поскольку частота излучения определяется в первую очередь самими атомами, такие системы могут обеспечить исключительно стабильные оптические эталоны для квантовых сенсоров, часов или чиповых устройств.

Исследование сочетает теорию взаимодействия света с веществом с передовыми численными методами для изучения того, как большие атомные ансамбли ведут себя коллективно и излучают когерентную радиацию. Результаты предполагают, что с продолжающимся прогрессом в этой области беззеркальная лазерная генерация может вскоре перейти от теоретического предсказания к экспериментальной реализации.

Дополнительная информация: Anna Bychek et al, Nanoscale Mirrorless Superradiant Lasing, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/rbs2-2pd5