Suprantama, kad naujo tipo prietaisas, vadinamas topologiniu lazeriu, gali skleisti šviesą efektyviau nei tradiciniai lazeriai. Dabar mokslininkai sukūrė pirmąjį elektra varomą topologijos lazerį, veikiantį kambario temperatūroje, kuris gali būti naudojamas telekomunikacijų srityje.
Topologija yra matematikos šaka, tirianti, kurie formos aspektai gali išgyventi deformuojant. Pavyzdžiui, žiedo formos objektas gali deformuotis į puodelio formą, o žiede esanti skylė suformuoja skylę puodelio rankenoje. Tačiau šio objekto negalima pakeisti iš esmės kitokia, neakyta forma.
Remdamiesi topologijos perspektyva, mokslininkai 2007 m. sukūrė pirmąjį elektroninį topologinį izoliatorių. Šis izoliatorius yra izoliuotas iš vidaus ir laidus išorėje. Elektronai, judantys išilgai šių medžiagų kraštų ar paviršių, stipriai priešinasi bet kokiems trukdžiams, galintiems pakeisti jų srautą, ir yra vadinami „topologiškai apsaugotais“.
Tada mokslininkai sukūrė fotoninius topologinius izoliatorius, kuriuose šviesa yra panašiai apsaugota. Šių medžiagų struktūra reguliariai keičiasi, todėl išilgai jų išorėje teka tam tikro bangos ilgio šviesa, o net kampuose ir defektuose nėra sklaidos ar nuostolių.
Kitas žingsnis – sukurti lazerius, apimančius topologinę apsaugą. Toks topologinis lazeris gali efektyviai gaminti tik vieno pageidaujamo bangos ilgio šviesą, o ne eikvoti energiją generuodamas nepageidaujamus bangos ilgius. Be to, "jie nėra labai jautrūs defektams, kurie gali atsirasti gamybos ar eksploatacijos metu", o tai reiškia, kad net jei jie turi defektų, jie skleis tokią gryną šviesą, sakė Mercedeh Khajavikhan, fizikas iš Pietų Kalifornijos universiteto Los. Andželas. Todėl topologiniai lazeriai gali matyti didesnę našumą ir galingesnį našumą gamybos procese.
Tačiau pirmiesiems topologijos lazeriams reikalingas išorinis lazeris, kad jie veiktų, o tai riboja praktinį pritaikymą. Neseniai mokslininkai sukūrė elektra varomus topologinius lazerius, tačiau šiems lazeriams reikalinga žema -264 laipsnio temperatūra, o tai taip pat riboja jų pritaikymą.
Pagrindinis tyrimo autorius Jae-Hyuckas Choi iš Pietų Kalifornijos universiteto Khajavikhane ir kiti kolegos sukūrė pirmąjį elektra pumpuojamą kambario temperatūros topologinį lazerį. Jie išsamiai paaiškino savo išvadas „Nature Communications“ birželio 8 d.
Naujasis įrenginys susideda iš 10 × 10 žiedų tinklo, kurių kiekvienas žiedas yra 30 mikronų pločio. Šie žiedai yra sujungti vienas su kitu mažais stačiakampiais, maždaug 5 mikronų pločio žiedais. Visi šie žiedai yra daugiasluoksnės struktūros, sudarytos iš daugiasluoksnių puslaidininkių, tokių kaip indžio galio arsenidas, indžio fosfidas ir indžio galio indžio arsenidas.
Tradicinis lazeris turi tik vieną rezonansinę ertmę, kuri kaupia šviesos energiją, kad galėtų generuoti lazerio šviesą. Vienas iš būdų padidinti lazerio išėjimo galią yra suteikti jam didesnę ertmę, tačiau dėl to lazeris skleis kelis dažnius, o ne vieną. Khajavikhanas teigė, kad šis naujas topologijos lazeris naudoja savo 10 × 10 žiedinį tinklelį kaip kelis sujungtus rezonatorius, „kaip statant namą su keliais kambariais“, kad būtų lengviau skleisti gryną vienos bangos ilgio šviesą.
Kai masyvo krašte esantys elektrodai elektra pumpuojami į tinklelį, aureolė sukuria lazerio šviesą, kurios bangos ilgis yra 1,5 mikrono, o tai yra dažniausiai naudojamas šviesolaidžio ryšio bangos ilgis. Žiedų dydis ir geometrija, vieta tarp žiedų, specifinis puslaidininkių sluoksnių storis ir sudėtis padeda užtikrinti, kad šviesa lazeryje būtų topologiškai apsaugota.
Topologinė apsauga padeda lazeriui dirbti, net jei kai kurie žiedai bus prarasti. Įrenginio topologija taip pat padeda užtikrinti, kad jo skleidžiama šviesa būtų beveik visų reikiamų bangų ilgių – panašus masyvas, žiedo vieta šiek tiek skiriasi, todėl skiriasi ir topologija, o šviesa skleidžiama mažiau iš kelių skirtingų bangų ilgių. . Grynas spektras.
"Topologinė fotonika leido sujungti kelis rezonatorius, kad būtų galima įgyvendinti naujas ir patobulintas funkcijas", - sakė Khajavikhanas. „Nuo socialinės žiniasklaidos iki biologinių ekosistemų, ryšys lemia tinklo funkcijas, vaidina svarbų vaidmenį siekiant sėkmės ir atsparumo.
