Rozumie sa, že nový typ zariadenia nazývaného topologický laser môže vyžarovať svetlo efektívnejšie ako tradičné lasery. Teraz vedci vytvorili prvý elektricky poháňaný topologický laser, ktorý pracuje pri izbovej teplote a ktorý možno použiť v oblasti telekomunikácií.
Topológia je oblasť matematiky, ktorá študuje, ktoré aspekty tvaru môžu prežiť deformáciu. Napríklad predmet v tvare prsteňa sa môže deformovať do tvaru pohára a otvor v prstenci tvorí otvor v rúčke pohára. Tento predmet však nie je možné zmeniť na zásadne iný, neporézny tvar.
S využitím perspektívy topológie vyvinuli výskumníci v roku 2007 prvý elektronický topologický izolátor. Tento izolátor je vnútorne izolovaný a zvonka vodivý. Elektróny pohybujúce sa pozdĺž okrajov alebo povrchov týchto materiálov silne odolávajú akejkoľvek interferencii, ktorá môže zmeniť ich tok, a nazývajú sa „topologicky chránené“.
Vedci potom navrhli fotonické topologické izolátory, v ktorých je podobne chránené svetlo. Tieto materiály majú pravidelné zmeny v štruktúre, takže svetlo určitej vlnovej dĺžky prúdi pozdĺž ich vonkajšej strany a nedochádza k rozptylu alebo strate ani v rohoch a defektoch.
Ďalším krokom je vývoj laserov, ktoré zahŕňajú topologickú ochranu. Tento druh topologického lasera môže efektívne produkovať svetlo jedinej požadovanej vlnovej dĺžky, namiesto plytvania energiou vytváraním nežiaducich vlnových dĺžok. Okrem toho "nie sú veľmi citlivé na chyby, ktoré sa môžu vyskytnúť počas výroby alebo prevádzky", čo znamená, že aj keď majú chyby, budú produkovať také čisté svetlo, povedal Mercedeh Khajavikhan, fyzik z University of Southern California v Los Angeles. Preto môžu topologické lasery vidieť vyšší výkon a vyšší výkon vo výrobnom procese.
Avšak prvé topologické lasery vyžadujú externý laser, ktorý ich vybudí, aby fungovali, čo obmedzuje praktické aplikácie. Vedci nedávno vyvinuli elektricky poháňané topologické lasery, ale tieto lasery vyžadujú nízku teplotu -264 stupňa , čo tiež obmedzuje ich aplikácie.
Vedúci autor štúdie Jae-Hyuck Choi z University of Southern California, Khajavikhan, a ďalší kolegovia vyvinuli prvý elektricky čerpaný topologický laser pri izbovej teplote. Svoje zistenia podrobne opísali v júnovom čísle Nature Communications.
Nové zariadenie pozostáva zo siete 10×10 prstencov, pričom každý prstenec má šírku 30 mikrónov. Tieto krúžky sú navzájom spojené malými obdĺžnikovými krúžkami širokými asi 5 mikrónov. Všetky tieto krúžky sú sendvičové štruktúry zložené z viacvrstvových polovodičov, ako je arzenid india a gália, fosfid india a arzenid indium gálium.
Tradičný laser má iba jednu rezonančnú dutinu, ktorá uchováva svetelnú energiu, takže môže generovať laserové svetlo. Jedným zo spôsobov, ako zvýšiť výstupný výkon lasera, je dať mu väčšiu dutinu, čo však spôsobí, že laser bude vyžarovať viacero frekvencií namiesto jednej. Khajavikhan povedal, že tento nový topologický laser využíva svoju prstencovú mriežku 10×10 ako viacnásobné spojené rezonátory, „rovnako ako pri stavbe domu s viacerými miestnosťami“, aby pomohol vyžarovať čisté svetlo s jednou vlnovou dĺžkou.
Keď sú elektródy na okraji poľa elektricky pumpované do mriežky, halo vytvára laserové svetlo s vlnovou dĺžkou 1,5 mikrónu, čo je najbežnejšie používaná vlnová dĺžka v komunikáciách s optickými vláknami. Veľkosť a geometria krúžkov, umiestnenie medzi krúžkami a špecifická hrúbka a zloženie polovodičových vrstiev pomáhajú zabezpečiť, že svetlo v laseri je topologicky chránené.
Topologická ochrana pomáha laseru pracovať, aj keď sa niektoré prstence stratia. Topológia zariadenia tiež pomáha zabezpečiť, že svetlo, ktoré vyžaruje, má takmer všetky požadované vlnové dĺžky – podobné pole, umiestnenie prstenca je mierne odlišné, takže topológia je odlišná a vyžaruje menej svetla zloženého z niekoľkých rôznych vlnových dĺžok. . Čisté spektrum.
"Topologická fotonika umožnila prepojenie viacerých rezonátorov na realizáciu nových a vylepšených funkcií," povedal Khajavikhan. "Od sociálnych médií po biologické ekosystémy, konektivita určuje sieťové funkcie, hrá dôležitú úlohu v úspechu a odolnosti."
