Nyilvánvaló, hogy egy új típusú, topológiai lézernek nevezett eszköz hatékonyabban bocsát ki fényt, mint a hagyományos lézerek. A tudósok most megalkották az első, szobahőmérsékleten működő, elektromos meghajtású topológiai lézert, amely a távközlés területén is használható.
A topológia a matematikának egy olyan ága, amely azt vizsgálja, hogy az alak mely aspektusai képesek túlélni a deformációt. Például egy gyűrű alakú tárgy csésze alakra deformálódhat, és a gyűrűn lévő lyuk a csésze fogantyúján lévő lyukat képezi. Ez a tárgy azonban nem változtatható alapvetően más, nem porózus formára.
A topológia szemszögéből a kutatók 2007-ben kifejlesztették az első elektronikus topológiai szigetelőt. Ez a szigetelő belsőleg szigetelt és kívülről vezetőképes. Az ezen anyagok szélei vagy felületei mentén mozgó elektronok erősen ellenállnak minden olyan interferenciának, amely megváltoztathatja az áramlásukat, ezért "topológiailag védettnek" nevezik őket.
A tudósok ezután fotonikus topológiai szigetelőket terveztek, amelyekben a fény hasonlóan védett. Ezeknek az anyagoknak a szerkezete rendszeres változást mutat, így meghatározott hullámhosszú fény áramlik a külsejükön, és még a sarkokban és hibákban sincs szóródás vagy veszteség.
A következő lépés a topológiai védelmet is tartalmazó lézerek kifejlesztése. Ez a fajta topológiai lézer csak egyetlen kívánt hullámhosszúságú fényt képes hatékonyan előállítani, ahelyett, hogy nemkívánatos hullámhosszúságú energiát pazarolna. Ráadásul "nem túl érzékenyek azokra a hibákra, amelyek a gyártás vagy az üzemeltetés során előfordulhatnak", ami azt jelenti, hogy még ha hibák is vannak, akkor is olyan tiszta fényt fognak kibocsátani - mondta Mercedeh Khajavikhan, a Los-i Dél-Kaliforniai Egyetem fizikusa. Angeles. Ezért a topológiai lézerek nagyobb teljesítményt és nagyobb teljesítményt érhetnek el a gyártási folyamatban.
Az első topológiás lézerekhez azonban külső lézerre van szükségük működésükhöz, ami korlátozza a gyakorlati alkalmazást. A közelmúltban a tudósok elektromos meghajtású topológiai lézereket fejlesztettek ki, de ezekhez a lézerekhez alacsony, -264 fokos hőmérsékletre van szükség, ami szintén korlátozza alkalmazásukat.
A tanulmány vezető szerzője, Jae-Hyuck Choi a Dél-Kaliforniai Egyetemen (Khajavikhan) és más kollégái kifejlesztették az első elektromosan szivattyúzott szobahőmérsékletű topológiai lézert. Eredményeiket a Nature Communications június 8-i számában részletezték.
Az új készülék egy 10×10-es gyűrűhálózatból áll, mindegyik gyűrű 30 mikron széles. Ezek a gyűrűk körülbelül 5 mikron széles, kis téglalap alakú gyűrűkkel vannak összekötve egymással. Mindezek a gyűrűk többrétegű félvezetőkből, például indium-gallium-arzenidből, indium-foszfidból és indium-gallium-indium-arzenidből álló szendvicsszerkezetek.
A hagyományos lézernek csak egy rezonáns ürege van, amely tárolja a fényenergiát, így képes lézerfényt generálni. A lézer kimeneti teljesítményének növelésének egyik módja az, ha nagyobb üreget adunk neki, de ez azt eredményezi, hogy a lézer több frekvenciát bocsát ki egy helyett. Khajavikhan elmondta, hogy ez az új topológiás lézer a 10 × 10-es gyűrűs rácsát többszörös csatolt rezonátorként használja, „mint egy több helyiségből álló ház építése”, hogy segítsen kibocsátani tiszta, egyhullámú fényt.
Amikor a tömb szélén lévő elektródákat elektromosan a rácsba pumpálják, a halo 1,5 mikron hullámhosszú lézerfényt állít elő, amely a leggyakrabban használt hullámhossz az optikai szálas kommunikációban. A gyűrűk mérete és geometriája, a gyűrűk közötti elhelyezkedés, valamint a félvezető rétegek fajlagos vastagsága és összetétele hozzájárul ahhoz, hogy a lézerben lévő fény topológiailag védett legyen.
A topológiai védelem segíti a lézer működését, még akkor is, ha néhány gyűrű elveszik. A készülék topológiája azt is segíti, hogy az általa kibocsátott fény szinte az összes szükséges hullámhosszon legyen – hasonló tömb, a gyűrű elhelyezkedése némileg eltérő, így a topológia is eltérő, és kevesebb fényt bocsát ki több különböző hullámhosszból. . Tiszta spektrum.
"A topológiai fotonika lehetővé tette több rezonátor összekapcsolását új és továbbfejlesztett funkciók megvalósításához" - mondta Khajavikhan. "A közösségi médiától a biológiai ökoszisztémákig a kapcsolódás meghatározza a hálózati funkciókat, fontos szerepet játszik a sikerben és a rugalmasságban."
