Det er forstått at en ny type enhet kalt en topologisk laser kan sende ut lys mer effektivt enn tradisjonelle lasere. Nå har forskere laget den første elektrisk drevne topologilaseren som fungerer ved romtemperatur, som kan brukes innen telekommunikasjon.
Topologi er en gren av matematikken som studerer hvilke aspekter av form som kan overleve deformasjon. For eksempel kan en gjenstand formet som en ring deformeres til formen av en kopp, og hullet i ringen danner hullet i håndtaket på koppen. Imidlertid kan dette objektet ikke endres til en fundamentalt annerledes, ikke-porøs form.
Ved å bruke topologiens perspektiv utviklet forskere den første elektroniske topologiske isolatoren i 2007. Denne isolatoren er internt isolert og eksternt ledende. Elektroner som beveger seg langs kantene eller overflatene til disse materialene motstår sterkt enhver forstyrrelse som kan endre deres flyt, og kalles "topologisk beskyttet".
Forskere designet deretter fotoniske topologiske isolatorer der lys er beskyttet på samme måte. Disse materialene har regelmessige endringer i struktur, slik at lys med en bestemt bølgelengde strømmer langs deres ytre, og det er ingen spredning eller tap selv ved hjørner og defekter.
Det neste trinnet er å utvikle lasere som inkluderer topologisk beskyttelse. Denne typen topologisk laser kan bare effektivt produsere lys med en enkelt ønsket bølgelengde, i stedet for å kaste bort energi ved å produsere uønskede bølgelengder. I tillegg er "de ikke veldig følsomme for defekter som kan oppstå under produksjon eller drift", noe som betyr at selv om de har defekter, vil de produsere så rent lys, sa Mercedeh Khajavikhan, fysiker ved University of South California i Los Angeles. Derfor kan topologiske lasere se høyere ytelse og kraftigere ytelse i produksjonsprosessen.
Imidlertid krever de første topologilaserne en ekstern laser for å begeistre dem til å fungere, noe som begrenser praktiske applikasjoner. Nylig har forskere utviklet elektrisk drevne topologiske lasere, men disse laserne krever en lav temperatur på -264 grader, noe som også begrenser deres anvendelser.
Studiens hovedforfatter Jae-Hyuck Choi ved University of Southern California, Khajavikhan, og andre kolleger har utviklet den første elektrisk pumpede romtemperatur-topologiske laseren. De beskrev funnene sine i 8. juni-utgaven av Nature Communications.
Den nye enheten består av et 10×10 ringnettverk, hver ring 30 mikron bred. Disse ringene er forbundet med hverandre med små rektangulære ringer som er omtrent 5 mikron brede. Alle disse ringene er sandwichstrukturer sammensatt av flerlags halvledere, slik som indiumgalliumarsenid, indiumfosfid og indiumgalliumindiumarsenid.
Den tradisjonelle laseren har kun ett resonanshulrom som lagrer lysenergi, slik at den kan generere laserlys. En måte å øke utgangseffekten til en laser på er å gi den et større hulrom, men dette vil føre til at laseren sender ut flere frekvenser i stedet for én. Khajavikhan sa at denne nye topologilaseren bruker sitt 10×10 ringnett som flere koblede resonatorer, "akkurat som å bygge et hus med flere rom" for å hjelpe til med å sende ut rent lys med en bølgelengde.
Når elektrodene ved kanten av matrisen pumpes elektrisk inn i rutenettet, produserer haloen laserlys med en bølgelengde på 1,5 mikron, som er den mest brukte bølgelengden i optisk fiberkommunikasjon. Ringenes størrelse og geometri, plasseringen mellom ringene og den spesifikke tykkelsen og sammensetningen av halvlederlagene er med på å sikre at lyset i laseren er topologisk beskyttet.
Topologisk beskyttelse hjelper laserarbeidet, selv om noen ringer vil gå tapt. Topologien til enheten bidrar også til å sikre at lyset den sender ut er nesten alle de nødvendige bølgelengdene - en lignende rekke, plasseringen av ringen er litt annerledes, så topologien er forskjellig, og den sender ut mindre lys sammensatt av flere forskjellige bølgelengder . Rent spekter.
"Topologisk fotonikk har gjort det mulig for sammenkobling av flere resonatorer for å realisere nye og forbedrede funksjoner," sa Khajavikhan. "Fra sosiale medier til biologiske økosystemer, tilkobling bestemmer nettverksfunksjoner, spiller en viktig rolle i suksess og motstandskraft."
