Resta inteso che un nuovo tipo di dispositivo chiamato laser topologico può emettere luce in modo più efficiente rispetto ai laser tradizionali. Ora, gli scienziati hanno creato il primo laser topologico azionato elettricamente che funziona a temperatura ambiente, che può essere utilizzato nel campo delle telecomunicazioni.
La topologia è una branca della matematica che studia quali aspetti della forma possono sopravvivere alla deformazione. Ad esempio, un oggetto a forma di anello può deformarsi nella forma di una tazza e il foro nell'anello forma il foro nel manico della tazza. Tuttavia, questo oggetto non può essere trasformato in una forma fondamentalmente diversa, non porosa.
Utilizzando la prospettiva della topologia, i ricercatori hanno sviluppato il primo isolante topologico elettronico nel 2007. Questo isolante è isolato internamente ed esternamente conduttivo. Gli elettroni che si muovono lungo i bordi o le superfici di questi materiali resistono fortemente a qualsiasi interferenza che possa modificarne il flusso e sono detti "topologicamente protetti".
Gli scienziati hanno quindi progettato isolanti topologici fotonici in cui la luce è protetta in modo simile. Questi materiali hanno cambiamenti regolari nella struttura, in modo che la luce di una lunghezza d'onda specifica fluisca lungo il loro esterno e non vi sia dispersione o perdita anche negli angoli e nei difetti.
Il passo successivo è lo sviluppo di laser che includano la protezione topologica. Questo tipo di laser topologico può produrre efficacemente solo luce di una singola lunghezza d'onda desiderata, invece di sprecare energia producendo lunghezze d'onda indesiderate. Inoltre, "non sono molto sensibili ai difetti che possono verificarsi durante la produzione o il funzionamento", il che significa che anche se hanno dei difetti, produrranno una luce così pura, ha affermato Mercedeh Khajavikhan, fisico della University of Southern California a Los Angeles. Pertanto, i laser topologici possono vedere una resa maggiore e prestazioni più potenti nel processo di produzione.
Tuttavia, i primi laser topologici richiedono un laser esterno per eccitarli per funzionare, il che limita le applicazioni pratiche. Di recente, gli scienziati hanno sviluppato laser topologici azionati elettricamente, ma questi laser richiedono una bassa temperatura di -264 gradi , che ne limita anche le applicazioni.
L'autore principale dello studio Jae-Hyuck Choi della University of Southern California, Khajavikhan, e altri colleghi hanno sviluppato il primo laser topologico a temperatura ambiente pompato elettricamente. Hanno dettagliato le loro scoperte nel numero dell'8 giugno di Nature Communications.
Il nuovo dispositivo è costituito da una rete ad anello 10×10, ogni anello largo 30 micron. Questi anelli sono collegati tra loro da piccoli anelli rettangolari larghi circa 5 micron. Tutti questi anelli sono strutture sandwich composte da semiconduttori multistrato, come arseniuro di indio gallio, fosfuro di indio e arseniuro di indio gallio e indio.
Il laser tradizionale ha una sola cavità risonante che immagazzina l'energia luminosa, in modo che possa generare luce laser. Un modo per aumentare la potenza di uscita di un laser è dargli una cavità più grande, ma questo farà sì che il laser emetta più frequenze invece di una. Khajavikhan ha affermato che questa nuova topologia laser utilizza la sua griglia ad anello 10 × 10 come più risonatori accoppiati, "proprio come costruire una casa con più stanze" per aiutare a emettere luce pura a lunghezza d'onda singola.
Quando gli elettrodi sul bordo dell'array vengono pompati elettricamente nella griglia, l'alone produce luce laser con una lunghezza d'onda di 1,5 micron, che è la lunghezza d'onda più comunemente usata nelle comunicazioni in fibra ottica. La dimensione e la geometria degli anelli, la posizione tra gli anelli e lo spessore e la composizione specifici degli strati semiconduttori contribuiscono a garantire che la luce nel laser sia protetta topologicamente.
La protezione topologica aiuta il laser a lavorare, anche se alcuni anelli andranno persi. La topologia del dispositivo aiuta anche a garantire che la luce che emette sia quasi tutte le lunghezze d'onda richieste: una matrice simile, la posizione dell'anello è leggermente diversa, quindi la topologia è diversa ed emette meno luce composta da diverse lunghezze d'onda . Spettro puro.
"La fotonica topologica ha reso possibile l'interconnessione di più risonatori per realizzare funzioni nuove e migliorate", ha affermato Khajavikhan. "Dai social media agli ecosistemi biologici, la connettività determina le funzioni della rete, svolge un ruolo importante nel successo e nella resilienza".
