Topologiska fotonikers tillämpningar har undersökts intensivt, inklusive envägs vågledare och topologiska lasrar. De topologiska lasrarna har särskilt väckt stor uppmärksamhet de senaste åren, som har föreslagits och demonstrerats i olika system, inklusive 1-D-kanttillstånd i 2-D-system, 0-D-gränstillstånd i 1-D-gitter, och topologiskt bulktillstånd runt bandkanter. De flesta av dem är i mikroskala. Den topologiska nanolaser med ett litet fotavtryck, låg tröskel och hög energieffektivitet har ännu inte undersökts. Nyligen, en ny typ av topologiska isolatorer av högre ordning som har lägre dimensionella gränstillstånd har föreslagits och demonstrerats i många system, inklusive 2-D fotonisk kristall. I den andra ordningens 2-D topologiska fotoniska kristallplatta, det finns de gapade 1-D-kanttillstånden och 0-D-hörnstatusen i mittgapet. Denna lokaliserade hörnstat ger en ny plattform för att förverkliga topologiska nanolasers.

I en ny artikel publicerad i Ljusvetenskap och applikationer , ett team av forskare, ledd av professor Xiulai Xu från Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institutet för fysik, Kinesiska vetenskapsakademien, Kina, och samarbetspartners har visat en topologisk nanolaser med låg tröskelvärde i en 2-D topologisk fotonisk kristallnanokavitet.

Baserat på andra ordningens hörnstatus, en topologisk nanokavitet är designad och tillverkad. Kvalitetsfaktorn (Q) optimeras ytterligare med ett teoretiskt maximum på 50, 000. Hörnstatus har visat sig vara robust mot defekter i fotonisk kristall i bulk. Ett lasbeteende med låg tröskel och hög spontanemissionskopplingsfaktor (β) observeras. Prestandan är jämförbar med den för konventionella halvledarlasrar, indikerar den stora utsikten i ett brett spektrum av applikationer för topologiska nanofotoniska kretsar.

Den topologiska nanokaviteten består av två sorters fotonisk kristallstruktur med den gemensamma bandstrukturen och olika topologier som kännetecknas av 2-D Zak-fasen. Enligt korrespondensen med bulk-kant-hörn, mitt-gapet 0-D hörnstatus kan induceras av den kvantiserade kantdipolpolarisationen, som är mycket lokaliserad vid skärningspunkten mellan två gränser. Q optimeras med en jämnare rumslig fördelning av hörnstatus genom att justera gapavståndet (g) mellan triviala och icke -konkurrerande fotoniska kristallplattor.

De designade topologiska nanokaviteterna med olika parametrar tillverkas i GaAs -plattor med en hög densitet av InGaAs kvantprickar. Trenden med Q med g stämmer väl överens med den teoretiska förutsägelsen, medan värdena är ungefär en storleksordning lägre än den teoretiska förutsägelsen på grund av fabrikationsfel. Även om hörnetillståndets Q och resonansvåglängd är mottagliga för störningar runt hörnet, hörntillståndet är topologiskt skyddat av bulk-bandets icke -rivande 2-D Zak-faser och robust mot defekterna i bulkfotonisk kristall, som har demonstrerats experimentellt.

Ett lasbeteende med hög prestanda observeras vid 4,2 K med kvantprickar som förstärkningsmediet. Lasertröskeln är cirka 1 μW och β är cirka 0,25. Prestandan är mycket bättre än topologiska kantlasrar, särskilt tröskeln som är cirka tre storleksordningar lägre än de flesta av de topologiska kantlasrarna. Den höga prestandan är resultatet av den starka optiska inneslutningen i hålrummet på grund av den lilla lägesvolymen och höga Q.

Detta resultat minskar tillämpningarna av topologisk fotonik till nanoskala, vilket kommer att ha stor betydelse för utvecklingen av topologiska nanofotoniska kretsar. Vidare, den topologiska nanokaviteten kan kraftigt förbättra ljus-materia interaktion, möjliggör därför undersökning av kavantelektrodynamik och ytterligare potentiella tillämpningar i topologiska nanofotoniska enheter.