トポロジカルレーザーと呼ばれる新しいタイプのデバイスは、従来のレーザーよりも効率的に光を放射できることが理解されています。 現在、科学者たちは、電気通信の分野で使用できる、室温で動作する最初の電気駆動トポロジーレーザーを作成しました。
トポロジーは、形状のどの側面が変形に耐えることができるかを研究する数学の一分野です。 たとえば、リングのような形をした物体がカップの形に変形し、リングの穴がカップのハンドルの穴を形成する場合があります。 ただし、このオブジェクトを根本的に異なる非多孔質の形状に変更することはできません。
トポロジーの観点を使用して、研究者は2007年に最初の電子トポロジカル絶縁体を開発しました。この絶縁体は内部で絶縁され、外部で導電性です。 これらの材料のエッジまたは表面に沿って移動する電子は、それらの流れを変える可能性のある干渉に強く抵抗し、「トポロジー的に保護された」と呼ばれます。
その後、科学者たちは、光が同様に保護されるフォトニックトポロジカル絶縁体を設計しました。 これらの材料は構造が規則的に変化しているため、特定の波長の光が外部に沿って流れ、コーナーや欠陥でも散乱や損失がありません。
次のステップは、トポロジー保護を含むレーザーを開発することです。 この種のトポロジーレーザーは、不要な波長を生成することによってエネルギーを浪費するのではなく、単一の目的の波長の光のみを効果的に生成できます。 さらに、「製造中または操作中に発生する可能性のある欠陥にはあまり敏感ではありません」。つまり、欠陥があっても、そのような純粋な光を生成します、と南カリフォルニア大学ロサンゼルス校の物理学者、メルセデ・カジャビカン氏は述べています。ロサンゼルス。 したがって、トポロジカルレーザーは、製造プロセスでより高い出力とより強力なパフォーマンスを確認できます。
ただし、最初のトポロジーレーザーは、それらを励起して動作させるために外部レーザーを必要とするため、実際のアプリケーションは制限されます。 最近、科学者は電気駆動のトポロジーレーザーを開発しましたが、これらのレーザーは-264度の低温を必要とし、これも用途を制限します。
この研究の筆頭著者である南カリフォルニア大学のJae-HyuckChoi、Khajavikhan、および他の同僚は、最初の電気ポンプ式室温トポロジーレーザーを開発しました。 彼らは、ネイチャーコミュニケーションズの6月8日号で調査結果を詳しく説明しました。
新しいデバイスは、10×10のリングネットワークで構成され、各リングの幅は30ミクロンです。 これらのリングは、幅が約5ミクロンの小さな長方形のリングで相互に接続されています。 これらのリングはすべて、インジウムガリウムヒ素、リン化インジウム、およびインジウムガリウムインジウムヒ素などの多層半導体で構成されるサンドイッチ構造です。
従来のレーザーには、光エネルギーを蓄える共振空洞が1つしかないため、レーザー光を生成できます。 レーザーの出力を上げる1つの方法は、キャビティを大きくすることですが、これにより、レーザーは1つではなく複数の周波数を放射します。 Khajavikhan氏によると、この新しいトポロジーレーザーは、10×10のリンググリッドを複数の結合共振器として使用し、「複数の部屋がある家を建てるのと同じように」、純粋な単一波長の光を放射するのに役立ちます。
アレイの端にある電極がグリッドに電気的にポンプで送られると、ハローは1.5ミクロンの波長のレーザー光を生成します。これは、光ファイバー通信で最も一般的に使用される波長です。 リングのサイズと形状、リング間の位置、および半導体層の特定の厚さと組成は、レーザー内の光がトポロジー的に保護されることを保証するのに役立ちます。
一部のリングが失われた場合でも、トポロジー保護はレーザーの動作を支援します。 デバイスのトポロジーは、デバイスが放出する光がほぼすべての必要な波長であることを保証するのにも役立ちます-同様のアレイ、リングの位置がわずかに異なるため、トポロジーが異なり、いくつかの異なる波長で構成されるより少ない光を放出します。 純粋なスペクトル。
「トポロジカルフォトニクスにより、複数の共振器を相互接続して、新しく改善された機能を実現できるようになりました」とKhajavikhan氏は述べています。 「ソーシャルメディアから生物学的生態系まで、接続性はネットワーク機能を決定し、成功と回復力において重要な役割を果たします。」
