Un laser topologic rezistent la defecte emite raze de lumină cu lungimi de undă pure la temperatura camerei, folosite în telecomunicații.
Noile dispozitive, cunoscute drept lasere topologice, se demonstrează a fi mai eficiente în emiterea luminii decât laserele convenționale. În prezent, oamenii de știință au creat primul laser topologic alimentat electric, care lucrează la temperatura camerei, care ar putea fi utilizat în domeniul telecomunicațiilor.
Topologia este ramura matematicii care investighează ce aspecte ale formelor pot rezista deformării. De exemplu, un obiect în formă de inel se poate deforma, astfel încât să ajungă la forma unei căni, cu gaura inelului formând gaura mânerului cănii. În orice caz, obiectul respectiv nu s-ar putea deforma într-o altă formă fără gaură, fără să se schimbe într-o formă fundamental diferită.
Folosind perspective din topologie, în anul 2007 cercetătorii au dezvoltat primii izolatori topologici electronici. Aceștia au efect izolator la interior, dar conductiv la exterior. Electronii care circulă pe marginea sau suprafețele acestor materiale, rezistă puternic asupra oricărei tulburări de fluxul, sunt considerați a fi „protejați topologic”.
Cercetătorii au proiectat izolatori topologici fotonici, în care lumina este protejată în mod asemănător. Aceste materiale posedă variații regulate în structurile lor, care permit scurgerea unor raze de lumină specifice pe exteriorul lor, fără denaturare sau pierderi – chiar și în jurul colțurilor și imperfecțiunilor.
Următorul pas a fost extinderea laserelor ce încorporează protecție topologică. Astfel de lasere pot produce lumină în mod eficient într-o singură lungime de undă dorită, în loc să irosească putere generând lungimi de undă nedorite. În plus, „sunt mai puțin sensibile la imperfecțiunile care se pot întâmpla în timpul fabricării sau operării”, ceea ce înseamnă că pot genera o lumină atât de pură chiar și în cazul apariției unor defecte, susține autorul lucrării, Mercedeh Khajavikhan, fizician în cadrul Universității din California de Sud, în Los Angeles. Astfel, laserele topologice pot să atingă randamente mai mari în timpul producerii, precum și o performanță mai robustă, explică ea.
Oricum, primele lasere topologice aveau nevoie de un alt laser extern care să le ofere un impuls, pentru ca acestea să funcționeze, limitând utilitatea practică. Recent, oamenii de știință au dezvoltat lasere topologice conduse electric, dar acestea necesită temperaturi criogenice de -265 Cº, care de altfel le limitează aplicarea.
Autorul conducător al studiului, Jae-Hyuck Choi din cadrul Universității din California de Sud, alături de Khajavikhan și colegii lor, au dezvoltat primul laser topologic alimentat cu electricitate care poate să funcționeze la temperatura camerei. Aceștia și-au detaliat descoperirile online, în data de 8 iunie, în cadrul jurnalului „Nature Communications”.
Noul dispozitiv consistă dintr-o grilă de 10 x 10, formată din inele a câte 30 de microni fiecare. Aceste inele sunt interconectate prin inele alungite, cu lățimi de 5 microni. Toate aceste inele sunt realizate dintr-un „sandwich” de straturi de semiconductori, cum ar fi arseniura de indiu galiu, fosfura de indiu și fosfura de arseniură de indiu-galiu.
Straturile convenționale posedă o cavitate rezonatoare care sporește lumina deschisă pentru ca generarea laserului să aibă loc. O metodă de a amplifica energia emanată de un laser este să îi oferi o cavitate mai mare, dar acest lucru poate să rezulte în emiterea mai multor frecvențe în loc de una singură. Noul laser topologic folosea grila de 10 x 10 inele pentru a servi multiplii rezonatori, „cum ai construi o casă cu multiple camere”, pentru a ajuta la emiterea unui singur val de lumină pur, a declarat Khajavikhan.
Când electrozii de la marginea acestei matrice pompează electricitate acestei grile, inelele generează lumină la o lungime de undă de 1,5 microni, care este cea mai utilizată lungime de undă folosită în transmiterea datelor prin fibre optice. Mărimea și geometria inelelor, poziția lor în raport unele cu celelalte, grosimea specifică și compoziția straturilor semiconductoare ajută ca lumina laserului să fie protejată topologic.
Protecția topologică a ajutat laserul sa funcționeze chiar dacă unele inele lipseau. Topologia dispozitivului a ajutat de altfel să asigure că lumina emisă avea lungimea virtuală dorită – o matrice similară cu inele în poziții puțin diferite. Astfel, rezultă o topologie diferită, în care se emite un spectru mai puțin pur, realizat din diferite lungimi de undă.
„Fotonii topologici au deschis posibilitatea modelării interconectivității dintre rezonatori multipli, pentru a realiza funcționalități noi și îmbunătățite. De la mediile sociale la ecosisteme biologice, conectivitatea joacă un rol important în determinarea funcției, succesului și rezilienței unei rețele”, a declarat Khajavikhan
