S'entén que un nou tipus de dispositiu anomenat làser topològic pot emetre llum de manera més eficient que els làsers tradicionals. Ara, els científics han creat el primer làser de topologia accionat elèctricament que funciona a temperatura ambient, que es pot utilitzar en el camp de les telecomunicacions.
La topologia és una branca de les matemàtiques que estudia quins aspectes de la forma poden sobreviure a la deformació. Per exemple, un objecte amb forma d'anell pot deformar-se en forma de tassa, i el forat de l'anell forma el forat del mànec de la tassa. Tanmateix, aquest objecte no es pot canviar en una forma fonamentalment diferent i no porosa.
Utilitzant la perspectiva de la topologia, els investigadors van desenvolupar el primer aïllant topològic electrònic l'any 2007. Aquest aïllant està aïllat internament i exteriorment conductor. Els electrons que es mouen al llarg de les vores o superfícies d'aquests materials resisteixen fortament qualsevol interferència que pugui modificar el seu flux, i s'anomenen "protegits topològicament".
Aleshores, els científics van dissenyar aïllants topològics fotònics en què la llum està protegida de manera similar. Aquests materials tenen canvis regulars en l'estructura, de manera que la llum d'una longitud d'ona específica flueix pel seu exterior i no hi ha dispersió ni pèrdua fins i tot a les cantonades i els defectes.
El següent pas és desenvolupar làsers que incloguin protecció topològica. Aquest tipus de làser topològic només pot produir llum d'una única longitud d'ona desitjada, en lloc de malgastar energia produint longituds d'ona no desitjades. A més, "no són gaire sensibles als defectes que es puguin produir durant la fabricació o l'operació", el que significa que fins i tot si tenen defectes, produiran una llum tan pura, va dir Mercedeh Khajavikhan, física de la Universitat del Sud de Califòrnia a Los Àngels. Per tant, els làsers topològics poden veure un rendiment més alt i un rendiment més potent en el procés de producció.
Tanmateix, els primers làsers de topologia requereixen un làser extern per excitar-los perquè funcionin, la qual cosa limita les aplicacions pràctiques. Recentment, els científics han desenvolupat làsers topològics accionats elèctricament, però aquests làsers requereixen una temperatura baixa de -264 graus, cosa que també limita les seves aplicacions.
L'autor principal de l'estudi, Jae-Hyuck Choi, de la Universitat del Sud de Califòrnia, Khajavikhan, i altres col·legues han desenvolupat el primer làser topològic a temperatura ambient bombat elèctricament. Van detallar les seves troballes al número del 8 de juny de Nature Communications.
El nou dispositiu consta d'una xarxa d'anell de 10×10, cada anell de 30 micres d'ample. Aquests anells estan connectats entre si per petits anells rectangulars d'unes 5 micres d'ample. Tots aquests anells són estructures sandvitx compostes per semiconductors multicapa, com ara l'arsenur d'indi gal·li, el fosfur d'indi i l'arsenur d'indi gal·li i indi.
El làser tradicional només té una cavitat ressonant que emmagatzema energia lluminosa, de manera que pot generar llum làser. Una manera d'augmentar la potència de sortida d'un làser és donar-li una cavitat més gran, però això farà que el làser emeti diverses freqüències en lloc d'una. Khajavikhan va dir que aquest nou làser de topologia utilitza la seva graella d'anells de 10 × 10 com a ressonadors acoblats múltiples, "igual que construir una casa amb diverses habitacions" per ajudar a emetre llum pura d'una sola longitud d'ona.
Quan els elèctrodes de la vora de la matriu es bombegen elèctricament a la xarxa, l'halo produeix llum làser amb una longitud d'ona d'1,5 micres, que és la longitud d'ona més utilitzada en les comunicacions de fibra òptica. La mida i la geometria dels anells, la ubicació entre els anells i el gruix i la composició específics de les capes de semiconductors ajuden a garantir que la llum del làser estigui protegida topològicament.
La protecció topològica ajuda el làser a funcionar, encara que es perdin alguns anells. La topologia del dispositiu també ajuda a garantir que la llum que emet sigui gairebé totes les longituds d'ona requerides: una matriu similar, la ubicació de l'anell és lleugerament diferent, de manera que la topologia és diferent i emet menys llum composta per diverses longituds d'ona diferents. . Espectre pur.
"La fotònica topològica ha fet possible que la interconnexió de múltiples ressonadors realitzi funcions noves i millorades", va dir Khajavikhan. "Des de les xarxes socials fins als ecosistemes biològics, la connectivitat determina les funcions de la xarxa, té un paper important en l'èxit i la resiliència".
