Topologiske nanolasere med lav tærskel baseret på andenordens hjørnetilstand

Anvendelsen af ​​topologisk fotonik er blevet intensivt undersøgt, inklusive envejsbølgeleder og topologiske lasere. De topologiske lasere har især tiltrukket sig bred opmærksomhed i de senere år, som er blevet foreslået og demonstreret i forskellige systemer, inklusive 1-D-kanttilstande i 2-D-systemer, 0-D grænsetilstande i 1-D gitter, og topologisk bulk-tilstand omkring båndkanter. De fleste af dem er i mikroskala. Den topologiske nanolaser med et lille fodaftryk, lav tærskel og høj energieffektivitet mangler endnu at blive undersøgt. For nylig, en ny type topologiske isolatorer af højere orden, som har lavere dimensionelle grænsetilstande, er blevet foreslået og demonstreret i mange systemer, inklusive 2-D fotonisk krystal. I andenordens 2-D topologiske fotoniske krystalplade, der findes de gappede 1-D kanttilstande og mid-gap 0-D hjørnetilstand. Denne lokaliserede hjørnetilstand giver en ny platform til at realisere topologiske nanolasere.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og applikationer , et hold af videnskabsmænd, ledet af professor Xiulai Xu fra Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institut for Fysik, det kinesiske videnskabsakademi, Kina, og samarbejdspartnere har demonstreret en lavtærskel topologisk nanolaser i en 2-D topologisk fotonisk krystal nanokavitet.

Baseret på andenordens hjørnetilstand, en topologisk nanokavitet er designet og fremstillet. Kvalitetsfaktoren (Q) er yderligere optimeret med et teoretisk maksimum på 50, 000. Hjørnetilstanden er vist at være robust over for defekter i bulk fotonisk krystal. En laseradfærd med lav tærskel og høj spontan emissionskoblingsfaktor (β) observeres. Ydeevnen er sammenlignelig med den for konventionelle halvlederlasere, hvilket indikerer det store perspektiv i en bred vifte af applikationer til topologiske nanofotoniske kredsløb.

Den topologiske nanokavitet består af to slags fotoniske krystalstrukturer med den fælles båndstruktur og forskellige topologier, som er karakteriseret ved 2-D Zak-fasen. Ifølge korrespondancen med kant-hjørne, mid-gap 0-D hjørnetilstanden kan induceres af den kvantiserede kantdipolarisering, som er stærkt lokaliseret i skæringspunktet mellem to grænser. Q er optimeret med en jævnere rumlig fordeling af hjørnetilstanden ved at justere afstanden (g) mellem de trivielle og ikke-trivale fotoniske krystalplader.

De designede topologiske nanokaviteter med forskellige parametre fremstilles til GaAs plader med en høj tæthed af InGaAs kvanteprikker. Tendensen for Q med g stemmer godt overens med den teoretiske forudsigelse, mens værdierne er omtrent en størrelsesorden lavere end den teoretiske forudsigelse på grund af fabrikationsufuldkommenheden. Selvom hjørnetilstandens Q og resonansbølgelængde er modtagelige for uorden omkring hjørnet, hjørnetilstanden er topologisk beskyttet af de ikke-trivielle 2-D Zak-faser af bulkbåndet og robust over for defekterne i bulk fotonisk krystal, hvilket er blevet påvist eksperimentelt.

En laseadfærd med høj ydeevne observeres ved 4,2 K med kvantepunkter som forstærkningsmediet. Lasertærsklen er ca. 1 μW, og β er ca. 0,25. Ydeevnen er meget bedre end topologiske kantlasere, især tærsklen, som er omkring tre størrelsesordener lavere end de fleste af de topologiske kantlasere. Den høje ydeevne skyldes den stærke optiske indeslutning i hulrummet på grund af den lille tilstandsvolumen og høje Q.

Dette resultat nedskalerer anvendelserne af topologisk fotonik til nanoskala, hvilket vil være af stor betydning for udviklingen af ​​topologiske nanofotoniske kredsløb. Desuden, den topologiske nanokavitet kan i høj grad forbedre lys-stof-interaktionen, derfor muliggør undersøgelse af hulrums kvanteelektrodynamik og de yderligere potentielle anvendelser i topologiske nanofotoniske enheder.