Rozumí se, že nový typ zařízení nazývaný topologický laser může vyzařovat světlo efektivněji než tradiční lasery. Nyní vědci vytvořili první elektricky poháněný topologický laser, který pracuje při pokojové teplotě, který lze použít v oblasti telekomunikací.
Topologie je odvětví matematiky, které studuje, které aspekty tvaru mohou přežít deformaci. Například předmět ve tvaru prstence se může deformovat do tvaru šálku a otvor v kroužku tvoří otvor v rukojeti šálku. Tento objekt však nelze změnit na zásadně odlišný, neporézní tvar.
S využitím perspektivy topologie vyvinuli výzkumníci v roce 2007 první elektronický topologický izolátor. Tento izolátor je vnitřně izolovaný a externě vodivý. Elektrony pohybující se po okrajích nebo površích těchto materiálů silně odolávají jakémukoli rušení, které by mohlo změnit jejich tok, a nazývají se "topologicky chráněné".
Vědci pak navrhli fotonické topologické izolátory, ve kterých je světlo podobně chráněno. Tyto materiály mají pravidelné změny ve struktuře, takže světlo specifické vlnové délky proudí podél jejich exteriéru a nedochází k rozptylu nebo ztrátám ani v rozích a defektech.
Dalším krokem je vývoj laserů, které zahrnují topologickou ochranu. Tento druh topologického laseru může účinně produkovat světlo pouze o jediné požadované vlnové délce, namísto plýtvání energií produkcí nežádoucích vlnových délek. Kromě toho "nejsou příliš citlivé na vady, které se mohou objevit během výroby nebo provozu", což znamená, že i když mají vady, budou produkovat takové čisté světlo, řekl Mercedeh Khajavikhan, fyzik na University of Southern California v Los Angeles. Proto topologické lasery mohou vidět vyšší výkon a výkonnější výkon ve výrobním procesu.
První topologické lasery však vyžadují externí laser, který je vzrušuje k práci, což omezuje praktické aplikace. Nedávno vědci vyvinuli elektricky poháněné topologické lasery, ale tyto lasery vyžadují nízkou teplotu -264 ° C, což také omezuje jejich aplikace.
Hlavní autor studie Jae-Hyuck Choi z University of Southern California, Khajavikhan, a další kolegové vyvinuli první elektricky čerpaný topologický laser pro pokojovou teplotu. Svá zjištění podrobně popsali v červnovém čísle Nature Communications z 8. června.
Nové zařízení se skládá z kruhové sítě 10×10, každý prstenec široký 30 mikronů. Tyto prstence jsou navzájem spojeny malými obdélníkovými kroužky o šířce asi 5 mikronů. Všechny tyto kruhy jsou sendvičové struktury složené z vícevrstvých polovodičů, jako je arsenid india galia, fosfid india a indium gallium indium arsenid.
Tradiční laser má pouze jednu rezonanční dutinu, která ukládá světelnou energii, takže může generovat laserové světlo. Jedním ze způsobů, jak zvýšit výstupní výkon laseru, je dát mu větší dutinu, ale to způsobí, že laser bude vysílat více frekvencí namísto jedné. Khajavikhan řekl, že tento nový topologický laser používá svou kruhovou mřížku 10×10 jako více spřažených rezonátorů, "stejně jako stavba domu s více místnostmi", aby pomohla vyzařovat čisté světlo s jednou vlnovou délkou.
Když jsou elektrody na okraji pole elektricky čerpány do mřížky, halo produkuje laserové světlo s vlnovou délkou 1,5 mikronů, což je nejčastěji používaná vlnová délka v komunikaci s optickými vlákny. Velikost a geometrie kroužků, umístění mezi kroužky a specifická tloušťka a složení polovodičových vrstev pomáhají zajistit topologickou ochranu světla v laseru.
Topologická ochrana pomáhá laseru pracovat, i když se některé kroužky ztratí. Topologie zařízení také pomáhá zajistit, aby světlo, které vyzařuje, bylo téměř všechny požadované vlnové délky - podobné pole, umístění prstence je mírně odlišné, takže topologie je odlišná a vyzařuje méně světla složeného z několika různých vlnových délek. Čisté spektrum.
"Topologická fotonika umožnila propojení více rezonátorů realizovat nové a vylepšené funkce," řekl Khajavikhan. "Od sociálních médií až po biologické ekosystémy, konektivita určuje síťové funkce, hraje důležitou roli v úspěchu a odolnosti."
