"Thresholdless nanoscale coaxial lasers". M. Khajavikhan, A. Simic, M. Katz, J. H. Lee, B. Slutsky, A. Mizrahi, V. Lomakin, Y. Fainman. NATURE 482, 204 (2012). DOI: 10.1038/nature10840
The effects of cavity quantum electrodynamics (QED), caused by the
interaction of matter and the electromagnetic field in subwavelength
resonant structures, have been the subject of intense research in recent
years.
The generation of coherent radiation by subwavelength resonant
structures has attracted considerable interest, not only as a means of
exploring the QED effects that emerge at small volume, but also for its
potential in applications ranging from on-chip optical communication to
ultrahigh-resolution and high-throughput imaging, sensing and
spectroscopy. One such strand of research is aimed at developing the
‘ultimate’ nanolaser: a scalable, low-threshold, efficient source of
radiation that operates at room temperature and occupies a small volume
on a chip. Different resonators have been proposed for the realization of such a nanolaser—microdisk and photonic bandgap resonators, and, more recently, metallic, metallo-dielectric and plasmonic
resonators. But progress towards realizing the ultimate nanolaser has
been hindered by the lack of a systematic approach to scaling down the
size of the laser cavity without significantly increasing the threshold
power required for lasing. Here we describe a family of coaxial
nanostructured cavities that potentially solve the resonator scalability
challenge by means of their geometry and metal composition. Using these
coaxial nanocavities, we demonstrate the smallest room-temperature,
continuous-wave telecommunications-frequency laser to date. In addition,
by further modifying the design of these coaxial nanocavities, we
achieve thresholdless lasing with a broadband gain medium. In addition
to enabling laser applications, these nanoscale resonators should
provide a powerful platform for the development of other QED devices and
metamaterials in which atom–field interactions generate new
functionalities.
Durante los últimos años han sido objeto de una investigación intensa los efectos de cavidad cuántico electrodinámicos (QED) causados por la interacción de materia con campo electromagnético en estructuras resonantes de dimensiones inferiores a la longitud de onda. Hay mucho interés en la generación de radiación coherente por estructuras resonantes de dimensiones inferiores a la longitud de onda, no solamente como un medio de exploración de los efectos QED que surgen en volúmenes tan pequeños, sino que también por sus potenciales aplicaciones, que van desde la comunicación óptica en circuitos integrados hasta la imagenología, la detección y la espectroscopia de ultra alta resolución y de alta eficiencia. Esta misma área de investigación está desarrollando lo más reciente en nanoláseres: una fuente eficiente de radiación, escalable y de bajo umbral, que opera a temperatura ambiente y que ocupa un volumen pequeño dentro de un circuito. Se han propuesto diversos resonadores para la fabricación de este tipo de nanoláser - microdiscos, resonadores fotónicos de brecha de energía, y, más recientemente, resonadores metálicos, metalo-dieléctricos y plasmónicos. Pero el avance hacia la fabricación de un nanoláser ha sido opacado por la falta de una estrategia que permita disminuir sistemáticamente el tamaño de la cavidad láser sin que se incremente notablemente el umbral de potencia requerido para la emisión de luz láser. Aquí se describe una familia de cavidades coaxiales nanoestructuradas que potencialmente pudieran solucionar el reto que representa el cambio de tamaño de los resonadores, a partir de su geometría y su composición metálica. Usando estas nanocavidades coaxiales, se muestra el láser más pequeño que existe a la fecha, y que opera a temperatura ambiente con ondas continuas de frecuencia en un intervalo adecuado para su uso en telecomunicaciones. Además, al realizar ciertas modificaciones al diseño de estas nanocavidades coaxiales, se logra emisión sin la necesidad de superar umbral alguno de energía, con un medio que permite una ganancia de banda ancha. Además de las posibles aplicaciones del láser, estos resonadores nanométricos resultan una plataforma poderosa para el desarrollo de metamateriales y de otros dispositivos QED en los que las interacciones átomo-campo generan nuevas funcionalidades.
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