Israëlische en Amerikaanse onderzoekers hebben een nieuwe, zeer efficiënt coherent en robuust halfgeleiderlasersysteem:de topologische isolatorlaser.

De bevindingen worden gepresenteerd in twee nieuwe gezamenlijke onderzoekspapers, de ene beschrijft de theorie en de andere experimenten, vandaag online gepubliceerd door het prestigieuze tijdschrift Wetenschap .

Topologische isolatoren zijn een van de meest innovatieve en veelbelovende gebieden van de natuurkunde van de afgelopen jaren, nieuwe inzichten verschaffen in het basisbegrip van beschermd transport. Dit zijn speciale materialen die in hun binnenste isolatoren zijn, maar een "superstroom" op hun oppervlak geleiden:de stroom op hun oppervlak wordt niet beïnvloed door defecten, scherpe hoeken of wanorde; het gaat unidirectioneel verder zonder te worden verspreid.

De studies werden uitgevoerd door professor Mordechai Segev, van het Technion-Israel Institute of Technology, en zijn team:Dr. Miguel A. Bandres en Gal Harari, in samenwerking met professoren Demetrios N. Christodoulides en Mercedeh Khajavikhan en hun studenten Steffen Wittek, Midya Parto en Jinhan Ren bij CREOL, College van Optica en Fotonica, Universiteit van Centraal-Florida, samen met wetenschappers uit de VS en Singapore.

Een aantal jaar geleden, dezelfde groep van Technion introduceerde deze ideeën in fotonica, en demonstreerde een fotonische topologische isolator, waar licht langs de randen van een tweedimensionale reeks golfgeleiders reist zonder te worden beïnvloed door defecten of wanorde.

Nutsvoorzieningen, de onderzoekers hebben een manier gevonden om de eigenschappen van fotonische topologische isolatoren te gebruiken om een ​​nieuw type laser te bouwen die een uniek fundamenteel gedrag vertoont en de robuustheid en de prestaties van laserarrays aanzienlijk verbetert, de deur openen voor een groot aantal toekomstige toepassingen.

"Dit nieuwe lasersysteem ging in tegen alle algemene kennis over topologische isolatoren, " zei Prof. Segev. "In een notendop, de unieke robuustheidseigenschappen van topologische isolatoren werden verondersteld te falen wanneer het systeem versterking bevat, zoals alle lasers moeten hebben. Maar we hebben aangetoond dat deze speciale robuustheid overleeft in lasersystemen met een speciaal ("topologisch") ontwerp, en kan de lasers veel efficiënter maken, coherenter, en tegelijkertijd immuun voor allerlei fabricage-onvolkomenheden, gebreken en dergelijke. Dit lijkt een opwindende manier te zijn om arrays van miniatuurlasers samen te laten werken als één:een enkele zeer coherente laser met hoog vermogen."

In hun onderzoek hebben de wetenschappers bouwden een speciale reeks microringresonatoren waarvan de lasermodus topologisch beschermd transport vertoont - licht plant zich in één richting voort langs de randen van de laserarray, immuun voor defecten en wanorde en onaangetast door de vorm van de randen. Dit op zijn beurt, zoals ze experimenteel hebben aangetoond, leidt tot zeer efficiënte single-mode laserwerking die lang boven de laserdrempel blijft. "Het is een groot genoegen om te zien dat fundamenteel onderzoek zulke diepgaande maar tastbare toepassingen heeft", zegt prof. Christodouldies van UCF.

De gefabriceerde array gebruikte standaard halfgeleidermaterialen, zonder de noodzaak van magnetische velden of exotische magneto-optische materialen; daarom kan het worden geïntegreerd in halfgeleiderapparaten. "In recente jaren, we hebben nieuwe trucs gevonden om licht op een ongekende manier te manipuleren. Hier, door slimme ontwerpen te gebruiken, we hebben fotonen voor de gek gehouden om te voelen alsof ze een magnetisch veld ervaren en ze hebben spin, " zei prof. Khajavikhan, een van de leidende wetenschappers van het team.

De onderzoekers toonden aan dat topologische isolatorlasers niet alleen theoretisch mogelijk en experimenteel haalbaar zijn, maar dat het integreren van deze eigenschappen zorgt voor efficiëntere lasers. Als zodanig, de resultaten van de studie effenen de weg naar een nieuwe klasse van actieve topologische fotonische apparaten die kunnen worden geïntegreerd met sensoren, antennes en andere fotonische apparaten.