Det är underförstått att en ny typ av enhet som kallas en topologisk laser kan avge ljus mer effektivt än traditionella lasrar. Nu har forskare skapat den första elektriskt drivna topologilasern som arbetar vid rumstemperatur, som kan användas inom telekommunikation.
Topologi är en gren av matematiken som studerar vilka aspekter av form som kan överleva deformation. Till exempel kan ett föremål format som en ring deformeras i form av en kopp, och hålet i ringen bildar hålet i koppens handtag. Detta objekt kan emellertid inte ändras till en fundamentalt annorlunda, icke-porös form.
Med hjälp av topologins perspektiv utvecklade forskare den första elektroniska topologiska isolatorn 2007. Denna isolator är internt isolerad och externt ledande. Elektroner som rör sig längs kanterna eller ytorna på dessa material motstår starkt störningar som kan förändra deras flöde och kallas "topologiskt skyddade".
Forskare utformade sedan fotoniska topologiska isolatorer där ljus skyddas på samma sätt. Dessa material har regelbundna förändringar i strukturen, så att ljus med en specifik våglängd flyter längs deras yttre, och det finns ingen spridning eller förlust även i hörn och defekter.
Nästa steg är att utveckla lasrar som inkluderar topologiskt skydd. Denna typ av topologisk laser kan bara effektivt producera ljus med en enda önskad våglängd, istället för att slösa bort energi genom att producera oönskade våglängder. Dessutom "är de inte särskilt känsliga för defekter som kan uppstå under tillverkning eller drift", vilket innebär att även om de har defekter kommer de att producera sådant rent ljus, säger Mercedeh Khajavikhan, fysiker vid University of Southern California i Los Angeles. Därför kan topologiska lasrar se högre effekt och kraftfullare prestanda i produktionsprocessen.
De första topologilasrarna kräver emellertid en extern laser för att excitera dem till arbete, vilket begränsar praktiska tillämpningar. Nyligen har forskare utvecklat elektriskt drivna topologiska lasrar, men dessa lasrar kräver en låg temperatur på -264 ° C, vilket också begränsar deras tillämpningar.
Studiens huvudförfattare Jae-Hyuck Choi vid University of Southern California, Khajavikhan, och andra kollegor har utvecklat den första elektriskt pumpade topologiska lasern i rumstemperatur. De redogjorde för sina resultat i 8 juni-numret av Nature Communications.
Den nya enheten består av ett 10×10 ringnätverk, varje ring 30 mikron bred. Dessa ringar är anslutna till varandra med små rektangulära ringar ca 5 mikron breda. Alla dessa ringar är sandwichstrukturer som består av flerskiktiga halvledare, såsom indiumgalliumarsenid, indiumfosfid och indiumgalliumindiumarsenid.
Den traditionella lasern har bara ett resonanshålrum som lagrar ljusenergi, så att den kan generera laserljus. Ett sätt att öka uteffekten hos en laser är att ge den ett större hålrum, men detta kommer att få lasern att avge flera frekvenser istället för en. Khajavikhan sa att denna nya topologilaser använder sitt 10×10 ringnät som flera kopplade resonatorer, "precis som att bygga ett hus med flera rum" för att hjälpa till att avge rent envåglängdsljus.
När elektroderna vid kanten av matrisen pumpas elektriskt in i gallret producerar halo laserljus med en våglängd på 1,5 mikron, vilket är den vanligaste våglängden i optisk fiberkommunikation. Ringarnas storlek och geometri, placeringen mellan ringarna och halvledarskiktens specifika tjocklek och sammansättning bidrar till att säkerställa att ljuset i lasern är topologiskt skyddat.
Topologiskt skydd hjälper lasern att fungera, även om vissa ringar kommer att gå förlorade. Enhetens topologi hjälper också till att säkerställa att ljuset det avger är nästan alla nödvändiga våglängder - en liknande matris, ringens placering är något annorlunda, så topologin är annorlunda och den avger mindre ljus som består av flera olika våglängder. Rent spektrum.
"Topologisk fotonik har gjort det möjligt för sammankopplingen av flera resonatorer att förverkliga nya och förbättrade funktioner", säger Khajavikhan. "Från sociala medier till biologiska ekosystem bestämmer anslutning nätverksfunktioner, spelar en viktig roll för framgång och motståndskraft."
