ミラーレスレーザ、新しい光源

November, 5, 2025, Innsbruck--インスブルック大学（University of Innsbruck）とハーバード大学（Harvard University）の物理学者チームは、レーザ光を生成する根本的に新しい方法、つまりミラーのないレーザを提案した。
チームの研究は、サブ波長距離に間隔をあけた量子エミッタが、光子放出を建設的に同期させて、光キャビティがない場合でも、明るく非常に狭帯域の光ビームを生成できることを示している。

従来のレーザでは、光を前後に跳ね返し、励起された原子や分子からのコヒーレントな発光を刺激し、光の増幅を促すためにミラーが不可欠だった。しかし、新しい「ミラーレス」の概念では、原子間間隔が放出された光の波長よりも小さいことを考えると、原子は独自の電磁双極子場を介して直接相互作用する。システムに十分なエネルギーがポンプで送られると、これらの相互作用によりエミッタがロックされ、集合的に放射され、スーパーラジアント放出と呼ばれる現象が発生する。

helmut Ritsch率いるチームは、この集団放出により、放射体のほんの一部のみがインコヒーレント光によって励起され、残りの原子がポンプされていない場合に、単一の狭いスペクトル線で、指向性が高くスペクトル的に純粋な光を生成することを発見した。この受動エミッタ部分は、外部光やパワーの広がりによって広がらないため、光共振器とゲイン媒体が別個の物理的実体である従来のレーザと同様に、アクティブエミッタの光共振器として効果的に機能する。

「原子は放出を同期させ、特定の閾値を超えると、集合的に、または互いに一致して光を放ち始める」と、インスブルック大学理論物理学部のポスドクであるAnna Bychekは説明している。「将来の研究で研究すべき疑問はまだたくさんあるが、原子が自由空間での双極子-双極子相互作用を介して独自のフィードバックメカニズムと周波数選択を構築することは明らかだ。」

この発見は、その概念的な重要性を超えて、ナノフォトニクスと精密測定のための新しいクラスの超小型光源を示している。発光周波数は主に原子自体によって決定されるため、このようなシステムは、量子センサ、クロック、またはオンチップデバイスに非常に安定した光学基準を提供する可能性がある。

この研究では、光と物質の相互作用の理論と高度な数値手法を組み合わせて、大規模な原子アンサンブルがどのように集合的に振る舞い、コヒーレント放射を放出するかを調査している。この結果は、この分野での継続的な進歩により、ミラーレスレーザが理論的な予測から実験的な実現に間もなく移行する可能性があることを示唆している。