Зрозуміло, що новий тип пристрою, який називається топологічним лазером, може випромінювати світло більш ефективно, ніж традиційні лазери. Тепер вчені створили перший топологічний лазер з електричним приводом, який працює при кімнатній температурі, який можна використовувати в галузі телекомунікацій.
Топологія - це розділ математики, який вивчає, які аспекти форми можуть пережити деформацію. Наприклад, предмет у формі кільця може деформуватися у форму чашки, а отвір у кільці утворює отвір у ручці чашки. Однак цей об’єкт не можна змінити в принципово іншу, непористу форму.
Використовуючи перспективу топології, дослідники розробили перший електронний топологічний ізолятор у 2007 році. Цей ізолятор із внутрішньою ізоляцією та зовні провідним. Електрони, що рухаються по краях або поверхнях цих матеріалів, сильно протистоять будь-яким перешкодам, які можуть змінити їх потік, і називаються «топологічно захищеними».
Потім вчені розробили фотонні топологічні ізолятори, в яких світло захищено подібним чином. Ці матеріали мають регулярні зміни в структурі, завдяки чому світло певної довжини хвилі тече вздовж їх зовнішності, і не відбувається розсіювання або втрат навіть на кутах і дефектах.
Наступним кроком є розробка лазерів, які включають топологічний захист. Цей вид топологічного лазера може ефективно виробляти світло лише однієї бажаної довжини хвилі, замість того, щоб витрачати енергію, створюючи небажані довжини хвилі. Крім того, «вони не дуже чутливі до дефектів, які можуть виникнути під час виробництва або експлуатації», а це означає, що навіть якщо вони мають дефекти, вони вироблятимуть таке чисте світло, сказав Мерседе Хаджавіхан, фізик з Університету Південної Каліфорнії в Лос. Анхелес. Таким чином, топологічні лазери можуть бачити більш високу продуктивність і більш потужну продуктивність у виробничому процесі.
Однак перші топологічні лазери потребують зовнішнього лазера, щоб збудити їх до роботи, що обмежує практичне застосування. Нещодавно вчені розробили топологічні лазери з електричним приводом, але для цих лазерів потрібна низька температура -264 градусів, що також обмежує їх застосування.
Головний автор дослідження Дже-Хюк Чой з Університету Південної Каліфорнії в Хаджавіхані та інші його колеги розробили перший топологічний лазер кімнатної температури з електричною накачкою. Вони детально розповіли про свої висновки у випуску Nature Communications від 8 червня.
Новий пристрій складається з кільцевої мережі 10×10, кожне кільце шириною 30 мікрон. Ці кільця з’єднані один з одним невеликими прямокутними кільцями шириною близько 5 мкм. Усі ці кільця є сендвіч-структурами, що складаються з багатошарових напівпровідників, таких як арсенід індій-галію, фосфід індію та індій-галій-індій-арсенід.
Традиційний лазер має лише одну резонансну порожнину, яка зберігає світлову енергію, так що він може генерувати лазерне світло. Один із способів збільшити вихідну потужність лазера — надати йому більший резонатор, але це змусить лазер випромінювати декілька частот замість однієї. Хаджавіхан сказав, що цей лазер з новою топологією використовує свою кільцеву сітку 10×10 як кілька пов’язаних резонаторів, «так само, як будівля будинку з кількома кімнатами», щоб випромінювати чисте світло з однією довжиною хвилі.
Коли електроди на краю масиву електрично закачуються в сітку, гало виробляє лазерне світло з довжиною хвилі 1,5 мікрона, що є найбільш часто використовуваною довжиною хвилі в оптоволоконних комунікаціях. Розмір і геометрія кілець, розташування між кільцями, а також специфічна товщина і склад напівпровідникових шарів допомагають забезпечити топологічний захист світла в лазері.
Топологічний захист допомагає лазеру працювати, навіть якщо деякі кільця будуть втрачені. Топологія пристрою також допомагає гарантувати, що світло, яке він випромінює, має майже всі необхідні довжини хвиль - подібний масив, розташування кільця дещо відрізняється, тому топологія відрізняється, і воно випромінює менше світла, що складається з кількох різних довжин хвиль. . Чистий спектр.
«Топологічна фотоніка зробила можливим взаємозв’язок кількох резонаторів, щоб реалізувати нові й покращені функції», – сказав Хаджавіхан. «Від соціальних медіа до біологічних екосистем зв’язок визначає функції мережі, відіграє важливу роль в успіху та стійкості».
