Podrazumijeva se da novi tip uređaja nazvan topološki laser može emitirati svjetlost učinkovitije od tradicionalnih lasera. Sada su znanstvenici stvorili prvi topološki laser na električni pogon koji radi na sobnoj temperaturi, a koji se može koristiti u području telekomunikacija.
Topologija je grana matematike koja proučava koji aspekti oblika mogu preživjeti deformaciju. Na primjer, predmet u obliku prstena može se deformirati u oblik šalice, a rupa u prstenu tvori rupu u dršci šalice. Međutim, ovaj se objekt ne može promijeniti u bitno drugačiji, neporozni oblik.
Koristeći perspektivu topologije, istraživači su 2007. godine razvili prvi elektronički topološki izolator. Ovaj izolator je unutarnje izoliran i izvana vodljiv. Elektroni koji se kreću duž rubova ili površina ovih materijala snažno se odupiru svim smetnjama koje mogu promijeniti njihov tok i nazivaju se "topološki zaštićeni".
Znanstvenici su potom dizajnirali fotonske topološke izolatore u kojima je svjetlost na sličan način zaštićena. Ovi materijali imaju redovite promjene u strukturi, tako da svjetlost određene valne duljine teče duž njihove vanjske strane, te nema raspršenja ili gubitka čak ni na kutovima i defektima.
Sljedeći korak je razvoj lasera koji uključuju topološku zaštitu. Ova vrsta topološkog lasera može učinkovito proizvesti svjetlost samo jedne željene valne duljine, umjesto da troši energiju stvaranjem neželjenih valnih duljina. Osim toga, "nisu jako osjetljivi na nedostatke koji se mogu pojaviti tijekom proizvodnje ili rada", što znači da će čak i ako imaju nedostatke proizvoditi tako čisto svjetlo, rekao je Mercedeh Khajavikhan, fizičar sa Sveučilišta Južne Kalifornije u Los Angelesu. Angeles. Stoga topološki laseri mogu vidjeti veći učinak i snažnije performanse u proizvodnom procesu.
Međutim, prvi topološki laseri zahtijevaju vanjski laser da ih potakne na rad, što ograničava praktične primjene. Nedavno su znanstvenici razvili topološke lasere na električni pogon, ali ti laseri zahtijevaju nisku temperaturu od -264 stupnjeva, što također ograničava njihovu primjenu.
Vodeći autor studije Jae-Hyuck Choi sa Sveučilišta Južne Kalifornije, Khajavikhan, i drugi kolege razvili su prvi topološki laser na sobnoj temperaturi s električnim pumpanjem. Svoje su nalaze detaljno iznijeli u izdanju časopisa Nature Communications od 8. lipnja.
Novi uređaj sastoji se od 10×10 prstenaste mreže, svaki prsten širine 30 mikrona. Ti su prstenovi međusobno povezani malim pravokutnim prstenovima širine oko 5 mikrona. Svi ovi prstenovi su sendvič strukture sastavljene od višeslojnih poluvodiča, kao što su indij galij arsenid, indijev fosfid i indij galij indij arsenid.
Tradicionalni laser ima samo jednu rezonantnu šupljinu koja pohranjuje svjetlosnu energiju, tako da može generirati lasersko svjetlo. Jedan od načina da se poveća izlazna snaga lasera je da mu se da veća šupljina, ali to će uzrokovati da laser emitira više frekvencija umjesto jedne. Khajavikhan je rekao da ovaj laser s novom topologijom koristi svoju prstenastu mrežu 10×10 kao višestruke spojene rezonatore, "baš kao kada gradi kuću s više soba" kako bi pomogao emitirati čisto jednovalno svjetlo.
Kada se elektrode na rubu niza električnim pumpama upumpavaju u mrežu, halo proizvodi lasersko svjetlo valne duljine od 1,5 mikrona, što je najčešće korištena valna duljina u komunikacijama optičkim vlaknima. Veličina i geometrija prstenova, položaj između prstenova te specifična debljina i sastav poluvodičkih slojeva pomažu u osiguravanju topološke zaštite svjetlosti u laseru.
Topološka zaštita pomaže radu lasera, čak i ako se neki prstenovi izgube. Topologija uređaja također pomaže da svjetlost koju emitira bude gotovo svih potrebnih valnih duljina - sličan niz, mjesto prstena je malo drugačije, pa je topologija drugačija, a emitira manje svjetlosti sastavljene od nekoliko različitih valnih duljina . Čisti spektar.
"Topološka fotonika je omogućila međusobno povezivanje više rezonatora za realizaciju novih i poboljšanih funkcija", rekao je Khajavikhan. "Od društvenih medija do bioloških ekosustava, povezanost određuje mrežne funkcije, igra važnu ulogu u uspjehu i otpornosti."
