On arusaadav, et uut tüüpi seade, mida nimetatakse topoloogiliseks laseriks, suudab kiirata valgust tõhusamalt kui traditsioonilised laserid. Nüüd on teadlased loonud esimese toatemperatuuril töötava elektriajamiga topoloogialaseri, mida saab kasutada telekommunikatsiooni valdkonnas.
Topoloogia on matemaatika haru, mis uurib, millised kuju aspektid võivad deformatsiooni üle elada. Näiteks võib rõngakujuline ese deformeeruda tassi kujuliseks ja rõngas olev auk moodustab augu topsi käepidemes. Seda eset ei saa aga muuta põhimõtteliselt erinevaks, mittepoorseks kujuks.
Topoloogia perspektiivi kasutades töötasid teadlased 2007. aastal välja esimese elektroonilise topoloogilise isolaatori. See isolaator on seestpoolt isoleeritud ja väliselt juhtiv. Mööda nende materjalide servi või pindu liikuvad elektronid peavad tugevalt vastu igasugustele häiretele, mis võivad nende voolu muuta, ja neid nimetatakse "topoloogiliselt kaitstud".
Seejärel kavandasid teadlased fotoonilised topoloogilised isolaatorid, milles valgus on sarnaselt kaitstud. Nendel materjalidel on korrapärased struktuurimuutused, nii et kindla lainepikkusega valgus voolab mööda nende välispinda ning isegi nurkades ja defektides ei esine hajumist ega kadu.
Järgmine samm on topoloogilise kaitsega laserite väljatöötamine. Seda tüüpi topoloogiline laser suudab tõhusalt toota ainult ühe soovitud lainepikkusega valgust, selle asemel, et raisata energiat soovimatute lainepikkuste tekitamiseks. Lisaks "ei ole nad väga tundlikud defektide suhtes, mis võivad ilmneda tootmise või kasutamise ajal", mis tähendab, et isegi kui neil on defekte, toodavad nad sellist puhast valgust, ütles Lossis asuva Lõuna-California ülikooli füüsik Mercedeh Khajavikhan. Angeles. Seetõttu näevad topoloogilised laserid tootmisprotsessis suuremat väljundit ja võimsamat jõudlust.
Kuid esimesed topoloogialaserid nõuavad nende tööle ergutamiseks välist laserit, mis piirab praktilisi rakendusi. Hiljuti on teadlased välja töötanud elektriajamiga topoloogilised laserid, kuid need laserid nõuavad madalat temperatuuri -264 kraadi, mis piirab ka nende rakendusi.
Uuringu juhtiv autor Jae-Hyuck Choi Lõuna-California ülikoolist Khajavikhanis ja teised kolleegid on välja töötanud esimese elektriliselt pumbatava toatemperatuuril töötava topoloogilise laseri. Nad kirjeldasid oma järeldusi ajakirja Nature Communications 8. juuni numbris.
Uus seade koosneb 10×10 rõngaste võrgust, millest igaüks on 30 mikronit lai. Need rõngad on omavahel ühendatud väikeste, umbes 5 mikroni laiuste ristkülikukujuliste rõngastega. Kõik need rõngad on sandwich-struktuurid, mis koosnevad mitmekihilistest pooljuhtidest, nagu indiumgalliumarseniid, indiumfosfiid ja indiumgallium-indiumarseniid.
Traditsioonilisel laseril on ainult üks resonantsõõnsus, mis salvestab valgusenergiat, nii et see suudab laservalgust genereerida. Üks viis laseri väljundvõimsuse suurendamiseks on anda sellele suurem õõnsus, kuid see paneb laseri kiirgama ühe sageduse asemel mitut sagedust. Khajavikhan ütles, et see uus topoloogialaser kasutab oma 10 × 10 rõngasvõrku mitme ühendatud resonaatorina, "nagu mitme ruumiga maja ehitamisel", et aidata kiirata puhast ühe lainepikkusega valgust.
Kui massiivi servas olevad elektroodid pumbatakse elektriliselt võrku, toodab halo laservalgust lainepikkusega 1,5 mikronit, mis on kiudoptilises sides kõige sagedamini kasutatav lainepikkus. Rõngaste suurus ja geomeetria, rõngaste vaheline asukoht ning pooljuhtkihtide spetsiifiline paksus ja koostis aitavad tagada laseri valguse topoloogilise kaitse.
Topoloogiline kaitse aitab laseril töötada, isegi kui mõned rõngad lähevad kaduma. Seadme topoloogia aitab ka tagada, et selle kiirgav valgus oleks peaaegu kõigi vajalike lainepikkustega - sarnane massiiv, rõnga asukoht on veidi erinev, seega on topoloogia erinev ja see kiirgab vähem valgust, mis koosneb mitmest erinevast lainepikkusest. . Puhas spekter.
"Topoloogiline fotoonika on võimaldanud mitme resonaatori omavahelise ühendamise uute ja täiustatud funktsioonide realiseerimiseks, " ütles Khajavikhan. "Alates sotsiaalmeediast kuni bioloogiliste ökosüsteemideni, määrab ühenduvus võrgu funktsioonid, mängib edu ja vastupidavuse tagamisel olulist rolli."
