Det er underforstået, at en ny type enhed kaldet en topologisk laser kan udsende lys mere effektivt end traditionelle lasere. Nu har forskere skabt den første elektrisk drevne topologilaser, der fungerer ved stuetemperatur, og som kan bruges inden for telekommunikation.
Topologi er en gren af matematikken, der studerer hvilke aspekter af form, der kan overleve deformation. For eksempel kan en genstand formet som en ring deformeres til form som en kop, og hullet i ringen danner hullet i håndtaget på koppen. Dette objekt kan dog ikke ændres til en fundamentalt anderledes, ikke-porøs form.
Ved at bruge topologiens perspektiv udviklede forskere den første elektroniske topologiske isolator i 2007. Denne isolator er indvendigt isoleret og eksternt ledende. Elektroner, der bevæger sig langs kanterne eller overfladerne af disse materialer, modstår kraftigt enhver interferens, der kan ændre deres strømning, og kaldes "topologisk beskyttet".
Forskere designede derefter fotoniske topologiske isolatorer, hvor lys på samme måde er beskyttet. Disse materialer har regelmæssige ændringer i struktur, så lys med en bestemt bølgelængde strømmer langs deres ydre, og der er ingen spredning eller tab selv ved hjørner og defekter.
Det næste skridt er at udvikle lasere, der inkluderer topologisk beskyttelse. Denne form for topologisk laser kan kun effektivt producere lys med en enkelt ønsket bølgelængde i stedet for at spilde energi ved at producere uønskede bølgelængder. Derudover "er de ikke særlig følsomme over for defekter, der kan opstå under fremstilling eller drift", hvilket betyder, at selvom de har defekter, vil de producere så rent lys, siger Mercedeh Khajavikhan, fysiker ved University of Southern California i Los Angeles. Derfor kan topologiske lasere se højere output og mere kraftfuld ydeevne i produktionsprocessen.
De første topologilasere kræver dog en ekstern laser for at få dem til at virke, hvilket begrænser praktiske anvendelser. For nylig har forskere udviklet elektrisk drevne topologiske lasere, men disse lasere kræver en lav temperatur på -264 grader, hvilket også begrænser deres anvendelse.
Studiets hovedforfatter Jae-Hyuck Choi ved University of Southern California, Khajavikhan og andre kolleger har udviklet den første elektrisk pumpede topologiske laser ved stuetemperatur. De detaljerede deres resultater i 8. juni-udgaven af Nature Communications.
Den nye enhed består af et 10×10 ringnetværk, hver ring 30 mikron bred. Disse ringe er forbundet med hinanden af små rektangulære ringe, der er omkring 5 mikron brede. Alle disse ringe er sandwichstrukturer sammensat af flerlagshalvledere, såsom indium gallium arsenid, indium phosphid og indium gallium indium arsenid.
Den traditionelle laser har kun ét resonanshulrum, der lagrer lysenergi, så den kan generere laserlys. En måde at øge udgangseffekten af en laser på er at give den et større hulrum, men dette vil få laseren til at udsende flere frekvenser i stedet for én. Khajavikhan sagde, at denne nye topologilaser bruger sit 10×10 ringgitter som multiple koblede resonatorer, "ligesom at bygge et hus med flere rum" for at hjælpe med at udsende rent enkelt-bølgelængde lys.
Når elektroderne ved kanten af arrayet pumpes elektrisk ind i gitteret, producerer haloen laserlys med en bølgelængde på 1,5 mikron, som er den mest almindeligt anvendte bølgelængde i optisk fiberkommunikation. Ringenes størrelse og geometri, placeringen mellem ringene og den specifikke tykkelse og sammensætning af halvlederlagene er med til at sikre, at lyset i laseren er topologisk beskyttet.
Topologisk beskyttelse hjælper laseren med at arbejde, selvom nogle ringe vil gå tabt. Enhedens topologi er også med til at sikre, at det lys, den udsender, er næsten alle de nødvendige bølgelængder - et lignende array, placeringen af ringen er lidt anderledes, så topologien er anderledes, og den udsender mindre lys sammensat af flere forskellige bølgelængder . Rent spektrum.
"Topologisk fotonik har gjort det muligt for sammenkoblingen af flere resonatorer at realisere nye og forbedrede funktioner," sagde Khajavikhan. "Fra sociale medier til biologiske økosystemer bestemmer forbindelsen netværksfunktioner, spiller en vigtig rolle i succes og modstandsdygtighed."
