Wetenschappers en ingenieurs van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) en de Universiteit van Leeds in het VK hebben de eerste elektrisch aangedreven topologische laser ontwikkeld, die de mogelijkheid heeft om lichte deeltjes om hoeken te leiden en om te gaan met defecten in de fabricage van het apparaat.

Elektrisch aangedreven halfgeleiderlasers zijn tegenwoordig het meest voorkomende type laserapparaat. Ze worden gebruikt in producten zoals barcodelezers en laserprinters, voor glasvezelcommunicatie, en in opkomende toepassingen zoals lasersensoren voor zelfrijdende auto's.

Echter, hun vervaardiging is een veeleisend proces, en huidige laserontwerpen werken niet goed als er tijdens deze processen defecten in de structuur van de laser worden geïntroduceerd.

De Singapore-V.K. vooraf gemeld in Natuur lost dit al lang bestaande probleem op en belooft te leiden tot efficiëntere en minder verspillende productie met behulp van bestaande halfgeleidertechnologieën. Dit wordt bereikt door gebruik te maken van een concept uit de theoretische fysica, bekend als topologische toestanden, om een ​​topologische laser te maken.

In 1980, wetenschappers ontdekten dat elektronen die in bepaalde materialen stromen topologische kenmerken hebben, wat betekent dat ze rond hoeken of onvolkomenheden kunnen vloeien zonder te verstrooien of te lekken. De Nobelprijs voor de natuurkunde 2016 werd toegekend aan drie theoretische natuurkundigen die pionierden in de studie van dergelijke topologische toestanden van elektronen.

Nutsvoorzieningen, een interdisciplinair team van ingenieurs en natuurkundigen van NTU Singapore in samenwerking met materiaalwetenschappers van de Universiteit van Leeds, hebben deze topologische benadering toegepast op lichte deeltjes, bekend als fotonen.

"Elke partij gefabriceerd laserapparaat heeft een fractie die geen laserlicht uitstraalt vanwege onvolkomenheden die zijn geïntroduceerd tijdens fabricage en verpakking, " zei professor Qi Jie Wang, de hoofdwetenschapper van de NTU Singapore's School of Electrical and Electronic Engineering. "Dit was een van onze motivaties voor het verkennen van topologische toestanden van licht, die veel robuuster zijn dan gewone lichtgolven."

In de huidige studie, de onderzoekers werkten met een soort elektrisch aangedreven laser, een kwantumcascadelaser genaamd, gebaseerd op geavanceerde halfgeleiderwafels ontwikkeld aan de Universiteit van Leeds.

Een senior auteur van de studie, Professor Giles Davies FREng, pro-decaan voor onderzoek en innovatie in de faculteit Ingenieurswetenschappen en Exacte Wetenschappen van de Universiteit van Leeds, zei, "De topologische laser is een geweldig voorbeeld van een fascinerend fundamenteel wetenschappelijk fenomeen dat wordt toegepast op een praktisch elektronisch apparaat, en zoals onze studie laat zien, het heeft het potentieel om de prestaties van lasersystemen te verbeteren."

Om topologische toestanden op een laserplatform te bereiken, het team van NTU en Leeds ontwikkelde een nieuw ontwerp met een fotonisch kristal uit de vallei, die werd geïnspireerd door elektronische topologische materialen die bekend staan ​​als tweedimensionale valleytronic-isolatoren.

Het ontwerp bestaat uit zeshoekige gaten die zijn gerangschikt in een driehoekig rooster, geëtst in een halfgeleiderwafel, waardoor het extreem compact is.

Binnen de microstructuur, de topologische toestanden van licht circuleren binnen een driehoekige lus van 1,2 millimeter omtrek, fungeert als een optische resonator om de lichtenergie te accumuleren die nodig is om een ​​laserstraal te vormen.

"Het feit dat licht in deze lus circuleert, inclusief om de scherpe hoeken van de driehoek gaan, is te wijten aan de speciale kenmerken van topologische toestanden, " zegt universitair hoofddocent Yi Dong Chong, een theoretisch fysicus bij NTU Singapore en co-hoofdonderzoeker van het project. "Gewone lichtgolven zouden worden verstoord door de scherpe hoeken, voorkomen dat ze soepel circuleren."

De onderzoekers merken op dat een interessant kenmerk van de nieuwe topologische kwantumcascadelaser is dat het licht dat hij uitzendt zich op terahertz-frequenties bevindt tussen de microgolf- en infrarode gebieden van het elektromagnetische spectrum. Terahertz-licht is geïdentificeerd als een van de belangrijkste gebieden van waaruit toekomstige technologische toepassingen in detectie, verlichting, en draadloze communicatie kan ontstaan.

Dit onderzoeksproject besloeg twee jaar, en betrokken een interdisciplinair team van twaalf onderzoekers. Tot de teamleden behoren ook NTU-natuurkundigen:universitair hoofddocent Baile Zhang, postdoctoraal onderzoeker en eerste auteur van het artikel, Dr. Yongquan Zeng; evenals professor Edmund Linfield, Hoogleraar Terahertz Elektronica, en Dr. Lianhe Li, Senior onderzoeker, beide in Leiden.

Vooruit kijken, het gezamenlijke team werkt aan lasers die gebruik maken van andere soorten topologische toestanden.

"Het ontwerp dat we in dit project hebben gebruikt, een dalfotonisch kristal genoemd, is niet de enige manier om topologische toestanden te creëren, Professor Wang zei. "Er zijn veel verschillende soorten topologische toestanden, bescherming bieden tegen verschillende soorten onvolkomenheden. We denken dat het mogelijk zal zijn om het ontwerp af te stemmen op de behoeften van verschillende apparaten en applicaties."

in 2018, een team van het Technion-Israel Institute of Technology en de University of Central Florida in de VS ontwikkelde een topologische laser gemaakt van een reeks verbonden optische resonatoren. De onderzoekers toonden aan dat de topologische toestanden van licht efficiënt rond hoeken en defecten in de laserarray konden reizen. Echter, deze prototypelaser had het nadeel dat hij veel groter was dan de meeste halfgeleiderlasers, maar ook optisch aangedreven, wat betekent dat het werd aangedreven door een andere laser.