Razume se, da lahko nova vrsta naprave, imenovane topološki laser, oddaja svetlobo učinkoviteje kot tradicionalni laserji. Zdaj so znanstveniki ustvarili prvi električno gnan topološki laser, ki deluje pri sobni temperaturi, ki se lahko uporablja na področju telekomunikacij.
Topologija je veja matematike, ki preučuje, kateri vidiki oblike lahko preživijo deformacijo. Na primer, predmet v obliki prstana se lahko deformira v obliko skodelice, luknja v obroču pa tvori luknjo v ročaju skodelice. Vendar tega predmeta ni mogoče spremeniti v bistveno drugačno, neporozno obliko.
Z uporabo perspektive topologije so raziskovalci leta 2007 razvili prvi elektronski topološki izolator. Ta izolator je notranje izoliran in od zunaj prevoden. Elektroni, ki se premikajo vzdolž robov ali površin teh materialov, se močno upirajo kakršnim koli motnjam, ki bi lahko spremenile njihov tok, in se imenujejo "topološko zaščiteni".
Znanstveniki so nato zasnovali fotonske topološke izolatorje, v katerih je svetloba podobno zaščitena. Ti materiali imajo redne spremembe v strukturi, tako da svetloba določene valovne dolžine teče vzdolž njihove zunanjosti in ni razprševanja ali izgube niti na vogalih in napakah.
Naslednji korak je razvoj laserjev, ki vključujejo topološko zaščito. Ta vrsta topološkega laserja lahko učinkovito proizvede svetlobo le ene želene valovne dolžine, namesto da bi zapravljala energijo s proizvodnjo neželenih valovnih dolžin. Poleg tega "niso zelo občutljivi na napake, ki se lahko pojavijo med proizvodnjo ali delovanjem", kar pomeni, da tudi če imajo napake, bodo proizvedle tako čisto svetlobo, je dejal Mercedeh Khajavikhan, fizik z Univerze v južni Kaliforniji v Los Angelesu. Angeles. Zato lahko topološki laserji v proizvodnem procesu vidijo večjo moč in močnejšo zmogljivost.
Vendar pa prvi topološki laserji zahtevajo zunanji laser, da jih vzbudijo za delo, kar omejuje praktične aplikacije. Pred kratkim so znanstveniki razvili topološke laserje na električni pogon, vendar ti laserji zahtevajo nizko temperaturo -264 stopinj, kar tudi omejuje njihovo uporabo.
Glavni avtor študije Jae-Hyuck Choi z Univerze v južni Kaliforniji, Khajavikhan, in drugi kolegi so razvili prvi topološki laser s sobni temperaturi z električno črpanjem. Svoje ugotovitve so podrobno predstavili v številki Nature Communications 8. junija.
Nova naprava je sestavljena iz obročnega omrežja 10×10, vsak obroč je širok 30 mikronov. Ti obroči so med seboj povezani z majhnimi pravokotnimi obroči široki približno 5 mikronov. Vsi ti obroči so sendvič strukture, sestavljene iz večplastnih polprevodnikov, kot so indijev galijev arzenid, indijev fosfid in indijev galij indijev arzenid.
Tradicionalni laser ima samo eno resonančno votlino, ki shranjuje svetlobno energijo, tako da lahko generira lasersko svetlobo. Eden od načinov za povečanje izhodne moči laserja je, da mu damo večjo votlino, vendar bo to povzročilo, da bo laser oddajal več frekvenc namesto ene. Khajavikhan je dejal, da ta novi topološki laser uporablja svojo obročno mrežo 10 × 10 kot več povezanih resonatorjev, "tako kot pri gradnji hiše z več sobami", da pomaga oddajati čisto enovalovno svetlobo.
Ko se elektrode na robu niza električno črpajo v mrežo, halo proizvaja lasersko svetlobo z valovno dolžino 1,5 mikrona, kar je najpogosteje uporabljena valovna dolžina v komunikacijah z optičnimi vlakni. Velikost in geometrija obročev, lega med obroči ter specifična debelina in sestava polprevodniških plasti pripomorejo k temu, da je svetloba v laserju topološko zaščitena.
Topološka zaščita pomaga laserju pri delovanju, tudi če se nekaj obročev izgubi. Topologija naprave pomaga tudi zagotoviti, da je svetloba, ki jo oddaja, skoraj vseh zahtevanih valovnih dolžin – podoben niz, lokacija obroča je nekoliko drugačna, zato je topologija drugačna in oddaja manj svetlobe, sestavljene iz več različnih valovnih dolžin. . Čisti spekter.
"Topološka fotonika je omogočila medsebojno povezovanje več resonatorjev za uresničitev novih in izboljšanih funkcij," je dejal Khajavikhan. "Od družbenih medijev do bioloških ekosistemov povezljivost določa omrežne funkcije, igra pomembno vlogo pri uspehu in odpornosti."
