Разбираемо е, че нов тип устройство, наречено топологичен лазер, може да излъчва светлина по-ефективно от традиционните лазери. Сега учените създадоха първия електрически задвижван топологичен лазер, който работи при стайна температура, който може да се използва в областта на телекомуникациите.
Топологията е клон на математиката, който изучава кои аспекти на формата могат да преживеят деформация. Например, предмет, оформен като пръстен, може да се деформира във формата на чаша, а дупката в пръстена образува дупката в дръжката на чашата. Този обект обаче не може да бъде променен в коренно различна, непорьозна форма.
Използвайки перспективата на топологията, изследователите разработиха първия електронен топологичен изолатор през 2007 г. Този изолатор е вътрешно изолиран и проводим отвън. Електроните, движещи се по ръбовете или повърхностите на тези материали, силно се съпротивляват на всякакви смущения, които могат да променят техния поток и се наричат „топологично защитени“.
След това учените проектират фотонни топологични изолатори, в които светлината е защитена по подобен начин. Тези материали имат редовни промени в структурата, така че светлината с определена дължина на вълната протича по външната им част и няма разсейване или загуба дори в ъгли и дефекти.
Следващата стъпка е разработването на лазери, които включват топологична защита. Този вид топологичен лазер може ефективно да произвежда светлина само с една желана дължина на вълната, вместо да губи енергия, като произвежда нежелани дължини на вълната. Освен това „те не са много чувствителни към дефекти, които могат да възникнат по време на производството или експлоатацията“, което означава, че дори и да имат дефекти, те ще произвеждат такава чиста светлина, каза Мерседе Хаджавихан, физик от Университета на Южна Калифорния в Лос. Анджелис. Следователно топологичните лазери могат да видят по-висока производителност и по-мощна производителност в производствения процес.
Въпреки това, първите лазери с топология изискват външен лазер, за да ги възбудят да работят, което ограничава практическите приложения. Наскоро учените разработиха електрически задвижвани топологични лазери, но тези лазери изискват ниска температура от -264 градуса, което също ограничава тяхното приложение.
Водещият автор на изследването Jae-Hyuck Choi от Университета на Южна Калифорния, Khajavikhan, и други колеги са разработили първия топологичен лазер с електрическо изпомпване при стайна температура. Те описаха подробно своите констатации в изданието на Nature Communications от 8 юни.
Новото устройство се състои от мрежа с пръстени 10×10, всеки пръстен с ширина 30 микрона. Тези пръстени са свързани един с друг с малки правоъгълни пръстени с ширина около 5 микрона. Всички тези пръстени са сандвич структури, съставени от многослойни полупроводници, като индиев галиев арсенид, индиев фосфид и индиев галий индиев арсенид.
Традиционният лазер има само една резонансна кухина, която съхранява светлинна енергия, така че да може да генерира лазерна светлина. Един от начините за увеличаване на изходната мощност на лазера е да му се даде по-голяма кухина, но това ще накара лазера да излъчва множество честоти вместо една. Khajavikhan каза, че този нов лазер с топология използва своята пръстеновидна мрежа 10 × 10 като множество свързани резонатори, „точно като изграждането на къща с множество стаи“, за да помогне за излъчването на чиста светлина с една дължина на вълната.
Когато електродите на ръба на масива се изпомпват електрически в мрежата, ореолът произвежда лазерна светлина с дължина на вълната от 1,5 микрона, която е най-често използваната дължина на вълната в комуникациите с оптични влакна. Размерът и геометрията на пръстените, разположението между пръстените и специфичната дебелина и състав на полупроводниковите слоеве помагат да се гарантира, че светлината в лазера е топологично защитена.
Топологичната защита помага на лазера да работи, дори ако някои пръстени ще бъдат загубени. Топологията на устройството също помага да се гарантира, че светлината, която излъчва, е почти всички необходими дължини на вълната - подобен масив, местоположението на пръстена е малко по-различно, така че топологията е различна и излъчва по-малко светлина, съставена от няколко различни дължини на вълната . Чист спектър.
„Топологичната фотоника направи възможно взаимното свързване на множество резонатори за реализиране на нови и подобрени функции“, каза Хаджавихан. "От социалните медии до биологичните екосистеми, свързаността определя мрежовите функции, играе важна роля за успеха и устойчивостта."
