Se înțelege că un nou tip de dispozitiv numit laser topologic poate emite lumină mai eficient decât laserele tradiționale. Acum, oamenii de știință au creat primul laser cu topologie acţionat electric care funcționează la temperatura camerei, care poate fi utilizat în domeniul telecomunicațiilor.
Topologia este o ramură a matematicii care studiază ce aspecte ale formei pot supraviețui deformării. De exemplu, un obiect în formă de inel se poate deforma în forma unei cupe, iar orificiul din inel formează orificiul din mânerul cupei. Cu toate acestea, acest obiect nu poate fi schimbat într-o formă fundamental diferită, neporoasă.
Folosind perspectiva topologiei, cercetătorii au dezvoltat primul izolator topologic electronic în 2007. Acest izolator este izolat intern și conductor exterior. Electronii care se deplasează de-a lungul marginilor sau suprafețelor acestor materiale rezistă puternic oricărei interferențe care le-ar putea modifica fluxul și sunt numiți „protejați topologic”.
Oamenii de știință au proiectat apoi izolatori topologici fotonici în care lumina este protejată în mod similar. Aceste materiale au modificări regulate în structură, astfel încât lumina cu o anumită lungime de undă curge de-a lungul exteriorului lor și nu există împrăștiere sau pierdere chiar și la colțuri și defecte.
Următorul pas este dezvoltarea laserelor care includ protecție topologică. Acest tip de laser topologic poate produce în mod eficient doar lumină de o singură lungime de undă dorită, în loc să irosească energie prin producerea de lungimi de undă nedorite. În plus, „nu sunt foarte sensibili la defecte care pot apărea în timpul producției sau al funcționării”, ceea ce înseamnă că, chiar dacă au defecte, vor produce o lumină atât de pură, a spus Mercedeh Khajavikhan, fizician la Universitatea din California de Sud din Los Angeles. Prin urmare, laserele topologice pot vedea rezultate mai mari și performanțe mai puternice în procesul de producție.
Cu toate acestea, primele lasere cu topologie necesită un laser extern pentru a le excita să lucreze, ceea ce limitează aplicațiile practice. Recent, oamenii de știință au dezvoltat lasere topologice acționate electric, dar aceste lasere necesită o temperatură scăzută de -264 grade, ceea ce limitează și aplicațiile lor.
Autorul principal al studiului, Jae-Hyuck Choi, de la Universitatea din California de Sud, Khajavikhan, și alți colegi au dezvoltat primul laser topologic la temperatura camerei pompat electric. Ei au detaliat concluziile lor în numărul din 8 iunie al revistei Nature Communications.
Noul dispozitiv constă dintr-o rețea de inel de 10×10, fiecare inel cu o lățime de 30 de microni. Aceste inele sunt conectate între ele prin mici inele dreptunghiulare de aproximativ 5 microni lățime. Toate aceste inele sunt structuri sandwich compuse din semiconductori multistrat, cum ar fi arseniura de indiu galiu, fosfura de indiu și arseniura de indiu galiu indiu.
Laserul tradițional are o singură cavitate rezonantă care stochează energia luminoasă, astfel încât să poată genera lumină laser. O modalitate de a crește puterea de ieșire a unui laser este să îi oferiți o cavitate mai mare, dar acest lucru va face ca laserul să emită mai multe frecvențe în loc de una. Khajavikhan a spus că acest nou laser cu topologie își folosește grila inelului de 10×10 ca rezonatoare cuplate multiple, „la fel ca și cum construiești o casă cu mai multe camere” pentru a ajuta la emiterea luminii cu o singură lungime de undă.
Când electrozii de la marginea matricei sunt pompați electric în rețea, haloul produce lumină laser cu o lungime de undă de 1,5 microni, care este lungimea de undă cea mai frecvent utilizată în comunicațiile cu fibră optică. Mărimea și geometria inelelor, locația dintre inele și grosimea și compoziția specifică a straturilor semiconductoare ajută la asigurarea că lumina din laser este protejată topologic.
Protecția topologică ajută laserul să funcționeze, chiar dacă unele inele se vor pierde. Topologia dispozitivului ajută, de asemenea, să se asigure că lumina pe care o emite are aproape toate lungimile de undă necesare - o matrice similară, locația inelului este ușor diferită, astfel încât topologia este diferită și emite mai puțină lumină compusă din mai multe lungimi de undă diferite. . Spectru pur.
„Fotonica topologică a făcut posibilă ca interconectarea mai multor rezonatoare să realizeze funcții noi și îmbunătățite”, a spus Khajavikhan. „De la rețelele sociale la ecosistemele biologice, conectivitatea determină funcțiile rețelei, joacă un rol important în succes și rezistență.”
