Den elektriskt drivna topologiska laserprototypen i labbet mäter en liten längd på 4 mm. Ett 5 cent -mynt i Singapore placerades ovanför det för storleksjämförelse. Upphovsman:NTU Singapore
Forskare och ingenjörer från Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) och University of Leeds i U.K. har skapat den första elektriskt drivna topologiska lasern, som har förmågan att leda ljuspartiklar runt hörnen och att hantera defekter i tillverkningen av enheten.
Elektriskt drivna halvledarlasrar är den vanligaste typen av laserenhet idag. De används i produkter som streckkodsläsare och laserskrivare, för fiberoptisk kommunikation, och i nya applikationer som laseravståndssensorer för självkörande bilar.
Dock, deras tillverkning är en krävande process, och nuvarande laserdesigner fungerar inte bra om några defekter introduceras i laserstrukturen under dessa processer.
Singapore-U.K. förskott rapporteras i Natur övervinner detta mångåriga problem och lovar att leda till mer effektiv och mindre slösaktig tillverkning med hjälp av befintlig halvledarteknik. Detta uppnås genom att utnyttja ett koncept från teoretisk fysik som kallas topologiska tillstånd för att göra en topologisk laser.
På 1980 -talet, forskare fann att elektroner som flyter i vissa material har topologiska egenskaper, vilket innebär att de kan flyta runt hörn eller brister utan att spridas eller läcka. Nobelpriset i fysik 2016 tilldelades tre teoretiska fysiker som var pionjärer i studiet av sådana topologiska tillstånd av elektroner.
Nu, ett tvärvetenskapligt team av ingenjörer och fysiker från NTU Singapore i samarbete med materialvetare från University of Leeds, har tillämpat denna topologiska metod för ljuspartiklar, känd som fotoner.
"Varje sats tillverkad laserenhet har en del som inte avger laserljus på grund av brister införda under tillverkning och förpackning, "sade professor Qi Jie Wang, ledande forskare från NTU Singapores School of Electrical and Electronic Engineering. "Detta var en av våra motiv för att utforska topologiska ljusförhållanden, som är mycket mer robusta än vanliga ljusvågor. "
I föreliggande studie, forskarna arbetade med en typ av elektriskt driven laser som kallas en kvantkaskadlaser, baserat på avancerade halvledarskivor som utvecklats vid University of Leeds.
En senior författare till studien, Professor Giles Davies FREng, prodekan för forskning och innovation vid fakulteten för teknik och fysik vid University of Leeds, sa, "Den topologiska lasern är ett bra exempel på att ett fascinerande fundamentalt vetenskapligt fenomen appliceras på en praktisk elektronisk enhet, och som vår studie visar, det har potential att förbättra prestandan för lasersystem. "
Från vänster - NTU Singapore forskare Assoc Prof Baile Zhang, Prof Qijie Wang, Assoc Prof Yidong Chong, och Dr Yongquan Zeng, som arbetade med sina medarbetare vid University of Leeds, STORBRITANNIEN, att utveckla den första elektriskt drivna topologiska lasern. Upphovsman:NTU Singapore
För att uppnå topologiska tillstånd på en laserplattform, NTU- och Leeds -teamet utvecklade en ny design som innehåller en dalfotonisk kristall, som inspirerades av elektroniska topologiska material som kallas tvådimensionella valleytronic-isolatorer.
Designen består av sexkantiga hål arrangerade i ett triangulärt galler, etsad i en halvledarskiva, vilket gör den extremt kompakt.
Inom mikrostrukturen, de topologiska ljustillstånden cirkulerar inom en triangulär slinga med en omkrets på 1,2 millimeter, fungerar som en optisk resonator för att ackumulera den ljusenergi som krävs för att bilda en laserstråle.
"Det faktum att ljus cirkulerar i denna slinga, inklusive att gå runt triangelns skarpa hörn, beror på särdragen hos topologiska tillstånd, "säger docent Yi Dong Chong, en teoretisk fysiker vid NTU Singapore och medledande utredare av projektet. "Vanliga ljusvågor skulle störas av de skarpa hörnen, hindrar dem från att cirkulera smidigt. "
Forskarna noterar att en intressant egenskap hos den nya topologiska kvantkaskadlasern är att ljuset som det avger är vid terahertz -frekvenser mellan mikrovågsugnen och infraröda områden i det elektromagnetiska spektrumet. Terahertz -ljus har identifierats som ett av de viktigaste områdena från vilka framtida tekniska tillämpningar inom avkänning, belysning, och trådlös kommunikation kan dyka upp.
Detta forskningsprojekt sträckte sig över två år, och involverade ett tvärvetenskapligt team på tolv forskare. I teammedlemmarna ingår också NTU -fysiker:Docent Baile Zhang, postdoktor och första författare till uppsatsen, Dr Yongquan Zeng; liksom professor Edmund Linfield, Professor i Terahertz Electronics, och Dr Lianhe Li, Senior forskare, båda i Leeds.
Blickar framåt, det gemensamma teamet arbetar med lasrar som använder andra typer av topologiska tillstånd.
"Designen vi använde i detta projekt, kallad en dal fotonisk kristall, är inte det enda sättet att skapa topologiska tillstånd, "Professor Wang sa." Det finns många olika typer av topologiska tillstånd, ger skydd mot olika typer av brister. Vi tror att det kommer att vara möjligt att skräddarsy designen efter behoven hos olika enheter och applikationer. "
År 2018, ett team vid Technion — Israel Institute of Technology och University of Central Florida i USA utvecklade en topologisk laser tillverkad av en rad anslutna optiska resonatorer. Forskarna visade att de topologiska tillstånden av ljus kan resa effektivt runt hörn och defekter i laseruppsättningen. Dock, denna prototyplaser hade nackdelen att vara mycket större än de flesta halvledarlasrar, liksom att vara optiskt driven, vilket betyder att den drivs av en annan laser.
