Israeliska och amerikanska forskare har utvecklat en ny, högeffektivt sammanhängande och robust halvledarlasersystem:den topologiska isolatorlasern.

Resultaten presenteras i två nya gemensamma forskningsdokument, en som beskriver teori och den andra experiment, publicerad online idag av den prestigefyllda tidskriften Vetenskap .

Topologiska isolatorer är ett av de mest innovativa och lovande områdena inom fysiken de senaste åren, ge ny insikt i den grundläggande förståelsen av skyddade transporter. Dessa är speciella material som är isolatorer i deras inre men leder en "superström" på sin yta:strömmen på deras yta påverkas inte av defekter, skarpa hörn eller oordning; den fortsätter enkelriktat utan att spridas.

Studierna utfördes av professor Mordechai Segev, vid Technion–Israel Institute of Technology, och hans team:Dr. Miguel A. Bandres och Gal Harari, i samarbete med professorerna Demetrios N. Christodoulides och Mercedeh Khajavikhan och deras studenter Steffen Wittek, Midya Parto och Jinhan Ren på CREOL, College of Optics and Photonics, University of Central Florida, tillsammans med forskare från USA och Singapore.

Många år sedan, samma grupp från Technion introducerade dessa idéer inom fotonik, och demonstrerade en fotonisk topologisk isolator, där ljus färdas runt kanterna på en tvådimensionell grupp av vågledare utan att påverkas av defekter eller störningar.

Nu, forskarna har hittat ett sätt att använda egenskaperna hos fotoniska topologiska isolatorer för att bygga en ny typ av laser som visar ett unikt fundamentalt beteende och avsevärt förbättrar robustheten och prestandan hos lasermatriser, öppnar dörren för ett stort antal framtida tillämpningar.

"Detta nya lasersystem gick emot all allmän kunskap om topologiska isolatorer, " sade prof. Segev. "I ett nötskal, de unika robusthetsegenskaperna hos topologiska isolatorer troddes misslyckas när systemet innehåller förstärkning, som alla lasrar måste ha. Men vi har visat att denna speciella robusthet överlever i lasersystem som har en speciell ("topologisk") design, och kan göra lasrarna mycket effektivare, mer sammanhängande, och samtidigt immun mot alla typer av tillverkningsfel, defekter och liknande. Det här verkar vara en spännande väg för att få uppsättningar av miniatyrlasrar att fungera tillsammans som en:en enda mycket koherent högeffektlaser."

I sin forskning, forskarna byggde en speciell grupp av mikroringresonatorer vars lasrläge uppvisar topologiskt skyddad transport - ljus fortplantar sig i en riktning längs kanterna på lasergruppen, immun mot defekter och störningar och opåverkad av kanternas form. Detta i sin tur, som de experimentellt visade, leder till högeffektiv singelmodslasring som varar högt över lasertröskeln. "Det är ett stort nöje att se grundläggande forskning utvecklas till att ha så djupgående men ändå påtagliga tillämpningar", säger professor Christodouldies från UCF.

Den tillverkade matrisen använde standardhalvledarmaterial, utan behov av magnetfält eller exotiska magnetoptiska material; därför kan den integreras i halvledarenheter. "Under de senaste åren har vi har hittat nya knep för att manipulera ljus på ett aldrig tidigare skådat sätt. Här, genom att använda smarta mönster, vi lurade fotoner att kännas som om de upplever ett magnetfält och de har spin, " sade prof. Khajavikhan, en av teamets ledande forskare.

Forskarna visade att topologiska isolatorlasrar inte bara är teoretiskt möjliga och experimentellt genomförbara, men att integrering av dessa egenskaper skapar mer högeffektiva lasrar. Som sådan, resultaten av studien banar väg mot en ny klass av aktiva topologiska fotoniska enheter som kan integreras med sensorer, antenner och andra fotoniska enheter.