Razumije se da nova vrsta uređaja zvana topološki laser može efikasnije odašilje svjetlost od tradicionalnih lasera. Naučnici su stvorili prvi elektro-pogonski topološki laser koji radi na sobnoj temperaturi, koji se može koristiti u oblasti telekomunikacija.
Topologija je grana matematike koja proučava koji aspekti oblika mogu preživjeti deformaciju. Na primjer, objekat u obliku prstena može se deformisati u oblik čaše, a rupa u prstenu formira rupu u dršci čaše. Međutim, ovaj objekat se ne može promijeniti u fundamentalno drugačiji, neporozni oblik.
Koristeći perspektivu topologije, istraživači su razvili prvi elektronski topološki izolator u 2007. Ovaj izolator je interno izoliran i eksterno provodljiv. Elektroni koji se kreću duž rubova ili površina ovih materijala snažno se odupiru bilo kakve smetnje koje mogu promijeniti njihov protok, i zovu se "topološki zaštićeni".
Naučnici su zatim dizajnirali fotonske topološke izolatore u kojima je svjetlost slično zaštićena. Ovi materijali imaju redovne promjene u strukturi, tako da svjetlost određene talasne dužine teče duž njihove vanjske strane, i nema raspršenja ili gubitka čak i na uglovima i neispravnostima.
Sljedeći korak je razvoj lasera koji uključuju topološku zaštitu. Ova vrsta topološkog lasera može samo efikasno proizvesti svjetlost jedne željene talasne dužine, umjesto da protraći energiju proizvodeći neželjene talasne dužine. Osim toga, "nisu baš osjetljivi na mane koje se mogu pojaviti tokom proizvodnje ili operacije", što znači da će čak i ako imaju mane proizvoditi tako čisto svjetlo, rekao je Mercedeh Khajavikhan, fizičar na Univerzitetu Južne Kalifornije u Los Angelesu. Stoga topološki laseri mogu vidjeti veći izlaz i snažnije performanse u proizvodnom procesu.
Međutim, prvi topološki laseri zahtijevaju vanjski laser da ih uzbudi na rad, što ograničava praktične primjene. Nedavno su naučnici razvili električni pogon topoloških lasera, ali ovi laseri zahtijevaju nisku temperaturu od -264°C, što također ograničava njihove primjene.
Glavni autor studije Jae-Hyuck Choi na Univerzitetu južne Kalifornije, Khajavikhan, i druge kolege razvili su prvi elektro-pumpani topološki laser s temperaturom sobe i temperature. Detaljno su izneli svoje nalaze u broju Komunikacija o prirodi od 8. juna.
Novi uređaj se sastoji od mreže prstena od 10×10, svaki prsten širok 30 mikrona. Ovi prstenovi su međusobno povezani malim jednokutnim prstenovima širokim oko 5 mikrona. Svi ovi prstenovi su sendvič strukture sačinjene od višeslojnih poluvodiča, kao što su indij-galij arsenid, indij-fosfat i indij-galij-indij arsenid.
Tradicionalni laser ima samo jednu rezonantnu šupljinu koja skladišti svjetlosnu energiju, tako da može generirati lasersko svjetlo. Jedan od načina da se poveća izlazna snaga lasera je dati mu veću šupljinu, ali to će uzrokovati da laser emitira više frekvencija umjesto jedne. Khajavikhan je rekao da ovaj novi topološki laser koristi svoju prstenasti mrežu od 10×10 kao višestruke rezonatore, "baš kao i izgradnju kuće sa više soba" kako bi pomogao da se emitira čisto jedno-talasno svjetlo.
Kada su elektrode na rubu niza električno pumpane u mrežu, halo proizvodi lasersko svjetlo sa talasnom dužinom od 1,5 mikrona, što je najčešće korištena talasna dužina u optičkoj komunikaciji vlakana. Veličina i geometrija prstenova, lokacija između prstenova, te specifična debljina i sastav poluprovodničkih sloja pomažu da se osigura da svjetlost u laseru bude topološki zaštićena.
Topološka zaštita pomaže laserskom radu, čak i ako će neki prstenovi biti izgubljeni. Topologija uređaja također pomaže da se osigura da je svjetlost koju emitira gotovo sve potrebne talasne dužine-sličan niz, lokacija prstena je nešto drugačija, tako da je topologija drugačija, a ona emitira manje svjetlosti koju sačinjava nekoliko različitih talasnih dužina. Čisti spektar.
"Topološka fotonika je učinila da međusobno povezivanje više rezonatora realizira nove i poboljšane funkcije," kaže Khajavikhan. "Od društvenih medija do bioloških ekosistema, povezivanje određuje mrežne funkcije, igra važnu ulogu u uspjehu i otpornosti."
