Supersymmetrische Laser

Die Supersymmetrie ist ein theoretisches Modell, das ursprünglich aus der Elementarteilchenphysik stammt. Nach dieser Theorie existiert zu jedem bekannten Elementarteilchen ein deutlich schwererer „Superpartner“. Das wäre eine elegante Erweiterung des Standardmodells, die zum einen die dunkle Materie erklären und zum anderen noch einige weitere Fragen beantworten könnte. Aber auch wenn sich diese Hypothese bislang nicht bestätigen ließ und die Suche der Teilchenphysiker nach supersymmetrischen Teilchen immer noch erfolglos geblieben ist, so könnte sie sich doch an ganz anderer Stelle als wichtige Inspiration erweisen: Laserforscher um Mercedeh Khajavikhan von der University of Central Florida in Orlando haben die Theorie der Supersymmetrie benutzt, um ein neuartiges Lasersystem zu entwickeln, das sich durch hohe Radianz auszeichnet und das vor allem ausschließlich Strahlung in der fundamentalen transversalen Mode aussendet.

Das Ziel, die Radianz von Lasersystemen weiter zu steigern, ist schon lange eine Herausforderung in der Laserphysik. Die Supersymmetrie öffnet hierzu einen Weg, indem sie eine spezielle Form der Symmetrie in Raum und Zeit auszeichnet. Während dieses Prinzip in der Teilchenphysik zu einer Symmetrie zwischen Bosonen und Fermionen führt, lässt es sich aber auch in anderen Gebieten anwenden, etwa in der Festkörperphysik, nichtlinearen Dynamik oder in der Optik. Das ist dadurch möglich, dass es einen Isomorphismus zwischen der Schrödingergleichung und der optischen Wellengleichung gibt, der es erlaubt, den supersymmetrischen Formalismus auch in der Optik zur Anwendung zu bringen. Hierzu gilt es, die Rolle des quantenphysikalischen Potenzials in einen optischen Brechungsindex zu übersetzen, um die entsprechenden Kopplungen zu erzielen.

Die Idee hinter den supersymmetrischen Laser-Arrays bestand nun darin, neben die Standardkomponente, die etwa aus fünf Elementen bestand, noch einen „Superpartner“ aus vier Elementen zu setzen, der einerseits entsprechend eines supersymmetrischen Operators an das Hauptelement koppelte und andererseits verlustbehaftet war. Dies führte dazu, dass sich die unerwünschten Moden höherer Ordnung auf den Superpartner konzentrierten und dass deren Stärke durch die gewünschten Verluste gedämpft wurde. Zugleich sammelte sich die fundamentale Mode auf dem Hauptelement und ließ sich so mit hoher Reinheit verstärken. Das ist deshalb möglich, weil sich in einem supersymmetrischen System Operatoren finden lassen, bei denen der Grundzustand des Ursprungssystems keinen korrespondierenden Zustand beim Superpartner hat, während die Eigenwerte der höheren Zustände zueinander korrespondieren. Das ist ein System mit ungebrochener Supersymmetrie. In einem System mit gebrochener Supersymmetrie hingegen hätte der Superpartner ein Gegenstück zum Grundzustand des Hauptsystems – was bei dem nun umgesetzten Lasersystem zu vermeiden war.

Die Wissenschaftler bauten ihren Laser aus mehrfachen Quantentöpfen auf einem Indiumphosphid-Wafer, die eine Breite von 1000 Nanometern und Abstände von 400 Nanometern aufwiesen. Diese Struktur regten die Forscher mit Hilfe eines Pumpstrahls von 1064 Nanometern Wellenlänge an. Den Verlust beim Superpartner erzielten sie einfach, indem sie den Pumpstrahl an dieser Stelle blockierten. Dabei zeigte sich, dass die transversalen Moden höherer Ordnung wie gewünscht stark unterdrückt waren und dass das System außerdem eine niedrige Divergenz aufwies. Dabei hatten die Verluste des Superpartners keinen spürbaren Einfluss auf die Effizienz des Gesamtsystems. Die Größe des Laserpunktes im Fernfeld war sogar noch geringer als die eines einzelnen Laserelements.

Ein grundlegender Vorteil des supersymmetrischen Design liegt darin, dass es nicht an spezielle Rahmenbedingungen gebunden ist. „Im Gegensatz zu früheren Ansätzen führt die Supersymmetrie eine globale und systematische Methode ein, die sich für mögliche Arten integrierter Laser-Arrays umsetzen lässt“, sagt Khajavikhan. Dabei benötigten die Forscher zur Umsetzung keine neuartigen Technologien. Das System ließ sich anhand der supersymmetrischen Design-Prinzipien mit handelsüblichen Komponenten bauen.

Bereits in der Vergangenheit war es der Forschergruppe an der University of Central Florida gelungen, passive optische Strukturen zu entwickeln, die mit Hilfe supersymmetrischer Transformationen ein Multi- und Demultiplexing möglich machten. In Zukunft wollen die Wissenschaftler das jetzt nachgewiesene Konzept weiterentwickeln. Ein wichtiger Forschungspfad weist vor allem in Richtung höherer Leistung mit elektrisch gepumpten Laser-Arrays. Die Forscher gehen davon aus, dass sich ein solches supersymmetrisches Design vom ultravioletten Bereich bis hin zum mittleren Infrarot umsetzen lassen sollte.

Eine ganze Reihe von Anwendungen, bei denen leistungsstarke Laserstrahlung mit einem Betriebsmodus von einfach-transversalen Moden wichtig ist, könnte von derartigen supersymmetrischen Laser-Arrays profitieren. Dazu gehören etwa Lidar-Systeme, aber auch andere Anforderungsprofile, bei denen Hochleistungs-Halbleiter-Laser quer über das Spektrum zum Einsatz kommen.

Dirk Eidemüller

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. P. Hokmabadi et al.: Supersymmetric laser arrays, Science 363, 623 (2019); DOI: 10.1126/science.aav5103
• Plasmonics and Applied Quantum Optics Group (M. Khajavikhan), University of Central Florida

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