Rozumie się, że nowy typ urządzenia zwany laserem topologicznym może emitować światło skuteczniej niż tradycyjne lasery. Teraz naukowcy stworzyli pierwszy napędzany elektrycznie laser topologiczny, który działa w temperaturze pokojowej, który może być stosowany w dziedzinie telekomunikacji.
Topologia jest gałęzią matematyki, która bada, które aspekty kształtu mogą przetrwać deformację. Na przykład obiekt w kształcie pierścienia może odkształcić się w kształt kubka, a otwór w pierścieniu tworzy otwór w uchwycie kubka. Jednak obiekt ten nie może zostać zmieniony na zasadniczo inny, nieporowaty kształt.
Korzystając z perspektywy topologii, naukowcy opracowali pierwszy elektroniczny izolator topologiczny w 2007 roku. Ten izolator jest izolowany wewnętrznie i zewnętrznie przewodzący. Elektrony poruszające się wzdłuż krawędzi lub powierzchni tych materiałów silnie opierają się wszelkim zakłóceniom, które mogą zmienić ich przepływ, i nazywane są "chronionymi topologicznie".
Następnie naukowcy zaprojektowali fotoniczne izolatory topologiczne, w których światło jest podobnie chronione. Materiały te mają regularne zmiany w strukturze, dzięki czemu światło o określonej długości fali przepływa wzdłuż ich zewnętrznej części i nie ma rozpraszania ani strat nawet w narożnikach i defektach.
Następnym krokiem jest opracowanie laserów, które zawierają ochronę topologiczną. Ten rodzaj lasera topologicznego może skutecznie wytwarzać tylko światło o jednej pożądanej długości fali, zamiast marnować energię poprzez wytwarzanie niepożądanych długości fal. Ponadto "nie są bardzo wrażliwe na defekty, które mogą wystąpić podczas produkcji lub eksploatacji", co oznacza, że nawet jeśli mają wady, będą wytwarzać takie czyste światło, powiedział Mercedeh Khajavikhan, fizyk z University of Southern California w Los Angeles. Dlatego lasery topologiczne mogą zobaczyć wyższą wydajność i większą wydajność w procesie produkcyjnym.
Jednak pierwsze lasery topologiczne wymagają zewnętrznego lasera, aby pobudzić je do pracy, co ogranicza praktyczne zastosowania. Ostatnio naukowcy opracowali elektrycznie napędzane lasery topologiczne, ale lasery te wymagają niskiej temperatury -264 ° C, co również ogranicza ich zastosowanie.
Główny autor badania Jae-Hyuck Choi z University of Southern California, Khajavikhan i inni współpracownicy opracowali pierwszy elektrycznie pompowany laser topologiczny o temperaturze pokojowej. Szczegółowo opisali swoje odkrycia w numerze Nature Communications z 8 czerwca.
Nowe urządzenie składa się z sieci pierścieniowej 10×10, z których każda ma szerokość 30 mikronów. Pierścienie te są połączone ze sobą małymi prostokątnymi pierścieniami o szerokości około 5 mikronów. Wszystkie te pierścienie są strukturami warstwowymi złożonymi z wielowarstwowych półprzewodników, takich jak arsenek indu galu, fosforek indu i arsenek indu galu.
Tradycyjny laser ma tylko jedną wnękę rezonansową, która przechowuje energię świetlną, dzięki czemu może generować światło lasera. Jednym ze sposobów zwiększenia mocy wyjściowej lasera jest nadanie mu większej wnęki, ale spowoduje to, że laser będzie emitował wiele częstotliwości zamiast jednej. Khajavikhan powiedział, że ten nowy laser topologii wykorzystuje swoją siatkę pierścieniową 10×10 jako wiele sprzężonych rezonatorów, "podobnie jak budowanie domu z wieloma pomieszczeniami", aby pomóc emitować czyste światło o pojedynczej długości fali.
Gdy elektrody na krawędzi matrycy są elektrycznie pompowane do sieci, halo wytwarza światło laserowe o długości fali 1,5 mikrona, co jest najczęściej używaną długością fali w komunikacji światłowodowej. Rozmiar i geometria pierścieni, położenie między pierścieniami oraz specyficzna grubość i skład warstw półprzewodnikowych pomagają zapewnić, że światło w laserze jest topologicznie chronione.
Ochrona topologiczna pomaga w pracy lasera, nawet jeśli niektóre pierścienie zostaną utracone. Topologia urządzenia pomaga również zapewnić, że emitowane przez nie światło ma prawie wszystkie wymagane długości fal - podobna tablica, położenie pierścienia jest nieco inne, więc topologia jest inna i emituje mniej światła złożonego z kilku różnych długości fal. Czyste spektrum.
"Fotonika topologiczna umożliwiła wzajemne połączenie wielu rezonatorów w celu realizacji nowych i ulepszonych funkcji" - powiedział Khajavikhan. "Od mediów społecznościowych po ekosystemy biologiczne, łączność określa funkcje sieciowe, odgrywa ważną rolę w sukcesie i odporności".
