Het is duidelijk dat een nieuw type apparaat, een topologische laser genaamd, efficiënter licht kan uitzenden dan traditionele lasers. Nu hebben wetenschappers de eerste elektrisch aangedreven topologielaser gemaakt die werkt bij kamertemperatuur en die kan worden gebruikt op het gebied van telecommunicatie.
Topologie is een tak van de wiskunde die bestudeert welke aspecten van vorm vervorming kunnen overleven. Een object in de vorm van een ring kan bijvoorbeeld vervormen in de vorm van een beker, en het gat in de ring vormt het gat in het handvat van de beker. Dit object kan echter niet worden veranderd in een fundamenteel andere, niet-poreuze vorm.
Vanuit het perspectief van de topologie ontwikkelden onderzoekers in 2007 de eerste elektronische topologische isolator. Deze isolator is inwendig geïsoleerd en uitwendig geleidend. Elektronen die langs de randen of oppervlakken van deze materialen bewegen, zijn sterk bestand tegen elke interferentie die hun stroom kan veranderen, en worden "topologisch beschermd" genoemd.
Wetenschappers ontwierpen vervolgens fotonische topologische isolatoren waarin licht op dezelfde manier wordt beschermd. Deze materialen hebben regelmatige veranderingen in structuur, zodat licht van een specifieke golflengte langs hun buitenkant stroomt, en er is geen verstrooiing of verlies, zelfs niet in hoeken en defecten.
De volgende stap is het ontwikkelen van lasers met topologische bescherming. Dit soort topologische laser kan alleen effectief licht van een enkele gewenste golflengte produceren, in plaats van energie te verspillen door ongewenste golflengten te produceren. Bovendien "zijn ze niet erg gevoelig voor defecten die kunnen optreden tijdens productie of gebruik", wat betekent dat ze, zelfs als ze defecten hebben, zulk puur licht zullen produceren, zei Mercedeh Khajavikhan, een fysicus aan de Universiteit van Zuid-Californië in Los Angeles. Engelen. Daarom kunnen topologische lasers een hogere output en krachtigere prestaties in het productieproces zien.
De eerste topologielasers hebben echter een externe laser nodig om ze aan het werk te krijgen, wat praktische toepassingen beperkt. Onlangs hebben wetenschappers elektrisch aangedreven topologische lasers ontwikkeld, maar deze lasers hebben een lage temperatuur van -264 graad nodig, wat ook hun toepassingen beperkt.
De hoofdauteur van de studie, Jae-Hyuck Choi van de University of Southern California, Khajavikhan, en andere collega's hebben de eerste elektrisch gepompte topologische laser op kamertemperatuur ontwikkeld. Ze hebben hun bevindingen gedetailleerd beschreven in het nummer van Nature Communications van 8 juni.
Het nieuwe apparaat bestaat uit een 10×10 ringnetwerk, elke ring 30 micron breed. Deze ringen zijn met elkaar verbonden door kleine rechthoekige ringen van ongeveer 5 micron breed. Al deze ringen zijn sandwichstructuren die zijn samengesteld uit meerlaagse halfgeleiders, zoals indiumgalliumarsenide, indiumfosfide en indiumgalliumindiumarsenide.
De traditionele laser heeft slechts één resonantieholte die lichtenergie opslaat, zodat hij laserlicht kan genereren. Een manier om het uitgangsvermogen van een laser te vergroten, is door deze een grotere holte te geven, maar hierdoor zal de laser meerdere frequenties uitzenden in plaats van één. Khajavikhan zei dat deze nieuwe topologielaser zijn 10×10 ringraster gebruikt als meerdere gekoppelde resonatoren, "net als het bouwen van een huis met meerdere kamers" om puur licht met één golflengte uit te stralen.
Wanneer de elektroden aan de rand van de array elektrisch in het rooster worden gepompt, produceert de halo laserlicht met een golflengte van 1,5 micron, de meest gebruikte golflengte in optische vezelcommunicatie. De grootte en geometrie van de ringen, de locatie tussen de ringen en de specifieke dikte en samenstelling van de halfgeleiderlagen zorgen ervoor dat het licht in de laser topologisch wordt beschermd.
Topologische bescherming helpt de laser te werken, zelfs als er ringen verloren gaan. De topologie van het apparaat helpt er ook voor te zorgen dat het licht dat het uitzendt bijna alle vereiste golflengten heeft - een vergelijkbare reeks, de locatie van de ring is iets anders, dus de topologie is anders en het straalt minder licht uit dat is samengesteld uit verschillende golflengten . Puur spectrum.
"Topologische fotonica heeft het mogelijk gemaakt om meerdere resonatoren met elkaar te verbinden om nieuwe en verbeterde functies te realiseren", zei Khajavikhan. "Van sociale media tot biologische ecosystemen, connectiviteit bepaalt netwerkfuncties, speelt een belangrijke rol in succes en veerkracht."
