Topologische fotonica ondersteunt een veelbelovend paradigma voor robuuste lichtmanipulatie, evenals slim ontwerp van optische apparaten met verbeterde betrouwbaarheid en geavanceerde functionaliteiten die worden beheerst door de niet-triviale bandtopologie. Nanostructuren gemaakt van diëlektrische materialen met een hoge index met resonerende elementen en roosterarrangementen tonen een speciale belofte voor de implementatie van topologische orde voor licht op nanoschaal en optische on-chip-toepassingen. Diëlektrica met hoge index, zoals III-V-halfgeleiders, die een sterke optische versterking kunnen bevatten, verder verbeterd door topologische veldlokalisatie, vormen een veelbelovend platform voor actieve topologische nanofotonica.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassing , een team van wetenschappers, geleid door Yuri Kivshar van de Australian National University en Hong-Gyu Park van de Korea University, en collega's hebben nanofotonische holtes geïmplementeerd in een InGaAsP-membraan met nanopatroon waarin III-V-kwantumbronnen voor halfgeleiders zijn verwerkt. De nanoholtes vertonen een fotonisch analoog van het Valley Hall-effect. Onderzoekers toonden laagdrempelige lasering bij kamertemperatuur aan vanuit een holtemodus die wordt gehost binnen de topologische bandgap van de structuur.

Het SEM-beeld van de gefabriceerde structuur en experimentele resultaten worden weergegeven in de afbeelding. De holte is gebaseerd op de gesloten Hall-domeinmuur in de vallei, gecreëerd door inversie van duizelingwekkende nanogaten in een tweeledig honingraatrooster. In het topologische bandgap-frequentiebereik, de holte ondersteunt een gekwantiseerd spectrum van modi beperkt tot de domeinwand. De afbeeldingen tonen emissieprofielen in de echte ruimte onder en boven de drempel.

De wetenschappers leggen uit:

"Bij experimenten, we nemen eerst spontane emissie waar vanuit de holte. Het emissieprofiel toont de verbetering langs de gehele omtrek van de driehoekige holte geassocieerd met randtoestanden. Bij het verhogen van een pompvermogen, we zien een drempelovergang naar laseren met een smalle lijnbreedte waarbij de emissie op de drie hoeken wordt beperkt."

Wanneer twee plekken worden geïsoleerd, coherentie van de emissie wordt bevestigd door interferentieranden die worden waargenomen in de gemeten far-field stralingspatronen. Een geïsoleerde hoek zendt een donutvormige straal uit die een singulariteit draagt. Deze bevindingen maken een stap topologisch gecontroleerde ultradunne lichtbronnen met niet-triviale stralingskenmerken. De onderzoekers voorspellen:

"Het voorgestelde volledig diëlektrische platform is veelbelovend voor het veelzijdige ontwerp van actieve topologische meta-oppervlakken met geïntegreerde lichtbronnen. Dergelijke topologische nanoholtes hebben een enorm potentieel voor vooruitgang in niet-lineaire nanofotonica, low-power nanolasing en holte kwantumelektrodynamica."