Es versteht sich, dass ein neuer Gerätetyp, der als topologischer Laser bezeichnet wird, Licht effizienter emittieren kann als herkömmliche Laser. Jetzt haben Wissenschaftler den ersten elektrisch angetriebenen Topologielaser geschaffen, der bei Raumtemperatur arbeitet und im Bereich der Telekommunikation eingesetzt werden kann.
Die Topologie ist ein Zweig der Mathematik, der untersucht, welche Aspekte der Form einer Verformung standhalten können. Beispielsweise kann sich ein wie ein Ring geformter Gegenstand in die Form einer Tasse verformen, und das Loch im Ring bildet das Loch im Griff der Tasse. Dieses Objekt kann jedoch nicht in eine grundlegend andere, nicht poröse Form gebracht werden.
Unter dem Gesichtspunkt der Topologie entwickelten Forscher 2007 den ersten elektronischen topologischen Isolator. Dieser Isolator ist innen isoliert und außen leitfähig. Elektronen, die sich entlang der Kanten oder Oberflächen dieser Materialien bewegen, widerstehen stark jeder Störung, die ihren Fluss verändern könnte, und werden als "topologisch geschützt" bezeichnet.
Die Wissenschaftler entwarfen dann photonische topologische Isolatoren, in denen das Licht ähnlich geschützt ist. Diese Materialien weisen regelmäßige Strukturänderungen auf, so dass Licht einer bestimmten Wellenlänge an ihrer Außenseite entlang fließt und es auch an Ecken und Fehlstellen nicht zu Streuungen oder Verlusten kommt.
Der nächste Schritt ist die Entwicklung von Lasern mit topologischem Schutz. Diese Art von topologischem Laser kann effektiv nur Licht einer einzigen gewünschten Wellenlänge erzeugen, anstatt Energie durch die Erzeugung unerwünschter Wellenlängen zu verschwenden. Darüber hinaus „sind sie nicht sehr empfindlich gegenüber Fehlern, die während der Herstellung oder des Betriebs auftreten können“, was bedeutet, dass sie selbst dann, wenn sie Fehler aufweisen, so reines Licht erzeugen, sagte Mercedeh Khajavikhan, Physiker an der University of Southern California in Los Engel. Daher können topologische Laser eine höhere Leistung und eine stärkere Leistung im Produktionsprozess erzielen.
Die ersten Topologielaser erfordern jedoch einen externen Laser, um sie zum Arbeiten anzuregen, was praktische Anwendungen einschränkt. Kürzlich haben Wissenschaftler elektrisch angetriebene topologische Laser entwickelt, aber diese Laser erfordern eine niedrige Temperatur von -264 Grad , was auch ihre Anwendungen einschränkt.
Der Hauptautor der Studie, Jae-Hyuck Choi von der University of Southern California, Khajavikhan, und andere Kollegen haben den ersten elektrisch gepumpten topologischen Laser bei Raumtemperatur entwickelt. Sie haben ihre Ergebnisse in der Ausgabe von Nature Communications vom 8. Juni detailliert beschrieben.
Das neue Gerät besteht aus einem 10×10-Ringnetzwerk, wobei jeder Ring 30 Mikrometer breit ist. Diese Ringe sind durch kleine rechteckige Ringe von etwa 5 Mikron Breite miteinander verbunden. Alle diese Ringe sind Sandwichstrukturen, die aus mehrschichtigen Halbleitern bestehen, wie beispielsweise Indium-Gallium-Arsenid, Indium-Phosphid und Indium-Gallium-Indium-Arsenid.
Der traditionelle Laser hat nur einen Resonanzhohlraum, der Lichtenergie speichert, sodass er Laserlicht erzeugen kann. Eine Möglichkeit, die Ausgangsleistung eines Lasers zu erhöhen, besteht darin, ihm einen größeren Hohlraum zu geben, aber dies führt dazu, dass der Laser mehrere Frequenzen anstelle von einer emittiert. Khajavikhan sagte, dass dieser Laser mit neuer Topologie sein 10 × 10-Ringgitter als mehrfach gekoppelte Resonatoren verwendet, „genau wie beim Bau eines Hauses mit mehreren Räumen“, um dabei zu helfen, reines Licht mit einer Wellenlänge zu emittieren.
Wenn die Elektroden am Rand des Arrays elektrisch in das Gitter gepumpt werden, erzeugt der Halo Laserlicht mit einer Wellenlänge von 1,5 Mikrometern, der am häufigsten verwendeten Wellenlänge in der Glasfaserkommunikation. Die Größe und Geometrie der Ringe, die Lage zwischen den Ringen sowie die spezifische Dicke und Zusammensetzung der Halbleiterschichten tragen dazu bei, dass das Licht im Laser topologisch geschützt ist.
Topologischer Schutz unterstützt die Laserarbeit, selbst wenn einige Ringe verloren gehen. Die Topologie des Geräts trägt auch dazu bei, sicherzustellen, dass das von ihm emittierte Licht fast alle erforderlichen Wellenlängen aufweist – ein ähnliches Array, die Position des Rings ist etwas anders, sodass die Topologie anders ist, und es emittiert weniger Licht, das aus mehreren verschiedenen Wellenlängen besteht . Reines Spektrum.
„Die topologische Photonik hat es ermöglicht, mehrere Resonatoren miteinander zu verbinden, um neue und verbesserte Funktionen zu realisieren“, sagte Khajavikhan. "Von sozialen Medien bis hin zu biologischen Ökosystemen bestimmt die Konnektivität die Netzwerkfunktionen. Sie spielt eine wichtige Rolle für den Erfolg und die Widerstandsfähigkeit."
