Forskere udvikler den første elektrisk drevne topologiske laser

Forskere og ingeniører fra Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) og University of Leeds i U.K. har skabt den første elektrisk drevne topologiske laser, som har evnen til at lede lette partikler rundt om hjørner og til at klare fejl i fremstillingen af ​​enheden.

Elektrisk drevne halvlederlasere er den mest almindelige type laserenhed i dag. De bruges i produkter som stregkodelæsere og laserprintere, til fiberoptisk kommunikation, og i nye applikationer, såsom laserspændende sensorer til selvkørende biler.

Imidlertid, deres fremstilling er en krævende proces, og nuværende laserdesign fungerer ikke godt, hvis der indføres defekter i laserens struktur under disse processer.

Singapore-U.K. forskud rapporteret i Natur overvinder dette mangeårige problem og lover at føre til mere effektiv og mindre spildende fremstilling ved hjælp af eksisterende halvlederteknologier. Dette opnås ved at udnytte et koncept fra teoretisk fysik kendt som topologiske tilstande for at lave en topologisk laser.

I 1980'erne, forskere fandt ud af, at elektroner, der strømmer i visse materialer, har topologiske træk, hvilket betyder, at de kan flyde rundt om hjørner eller ufuldkommenheder uden at spredes eller lækker. Nobelprisen i fysik i 2016 blev tildelt tre teoretiske fysikere, der var banebrydende i undersøgelsen af ​​sådanne topologiske tilstande af elektroner.

Nu, et tværfagligt team af ingeniører og fysikere fra NTU Singapore i samarbejde med materialeforskere fra University of Leeds, har anvendt denne topologiske tilgang til lette partikler, kendt som fotoner.

"Hver batch af fremstillet laserenhed har en brøkdel, der ikke udsender laserlys på grund af ufuldkommenheder indført under fremstilling og emballering, "sagde professor Qi Jie Wang, hovedforsker ved NTU Singapores School of Electrical and Electronic Engineering. "Dette var en af ​​vores motiver for at udforske topologiske lystilstande, som er meget mere robuste end almindelige lysbølger. "

I denne undersøgelse, forskerne arbejdede med en type elektrisk drevet laser kaldet en kvantekaskadelaser, baseret på avancerede halvlederplader udviklet ved University of Leeds.

En seniorforfatter af undersøgelsen, Professor Giles Davies FREng, prodekan for forskning og innovation ved Det Tekniske Fakultet og Fysiske Videnskab ved University of Leeds, sagde, "Den topologiske laser er et godt eksempel på, at et fascinerende fundamentalt videnskabeligt fænomen anvendes på en praktisk elektronisk enhed, og som vores undersøgelse viser, det har potentiale til at forbedre ydeevnen for lasersystemer. "

For at opnå topologiske tilstande på en laserplatform, NTU og Leeds team udviklede et nyt design indeholdende en dal fotonisk krystal, som var inspireret af elektroniske topologiske materialer kendt som todimensionale valleytronic-isolatorer.

Designet består af sekskantede huller arrangeret i et trekantet gitter, ætset ind i en halvlederplade, gør det ekstremt kompakt.

Inden for mikrostrukturen, de topologiske lystilstande cirkulerer inden for en trekantet sløjfe med en omkreds på 1,2 millimeter, fungerer som en optisk resonator for at akkumulere den lysenergi, der kræves for at danne en laserstråle.

"Det faktum, at lys cirkulerer i denne sløjfe, herunder at gå rundt om de skarpe hjørner af trekanten, skyldes de særlige træk ved topologiske tilstande, "siger lektor Yi Dong Chong, en teoretisk fysiker ved NTU Singapore og medleder efterforsker af projektet. "Almindelige lysbølger ville blive forstyrret af de skarpe hjørner, forhindrer dem i at cirkulere gnidningsløst. "

Forskerne bemærker, at et interessant træk ved den nye topologiske kvantekaskadelaser er, at det lys, det udsender, er ved terahertz -frekvenser mellem mikrobølge- og infrarøde områder i det elektromagnetiske spektrum. Terahertz -lys er blevet identificeret som et af de vigtigste områder, hvorfra fremtidige teknologiske anvendelser i sansning, belysning, og trådløs kommunikation kan dukke op.

Dette forskningsprojekt strækkede sig over to år, og involverede et tværfagligt team på tolv forskere. Teammedlemmer inkluderer også NTU -fysikere:Lektor Baile Zhang, postdoktor og første forfatter til papiret, Dr. Yongquan Zeng; samt professor Edmund Linfield, Professor i Terahertz Electronics, og Dr. Lianhe Li, Seniorforsker, begge i Leeds.

Ser frem til, det fælles team arbejder på lasere, der gør brug af andre typer topologiske tilstande.

"Det design, vi brugte i dette projekt, kaldet en dal fotonisk krystal, er ikke den eneste måde at skabe topologiske tilstande, "Professor Wang sagde." Der er mange forskellige typer af topologiske tilstande, giver beskyttelse mod forskellige former for ufuldkommenheder. Vi tror, ​​at det vil være muligt at skræddersy designet til forskellige enheders og applikationers behov. "

I 2018, et team ved Technion - Israel Institute of Technology og University of Central Florida i USA udviklede en topologisk laser fremstillet af en række tilsluttede optiske resonatorer. Forskerne viste, at de topologiske lystilstande kunne rejse effektivt rundt om hjørner og defekter i laserarrayet. Imidlertid, denne prototype laser havde den ulempe at være meget større end de fleste halvlederlasere, såvel som at være optisk drevet, hvilket betyder, at den blev drevet af en anden laser.