據(jù)了解，被稱為拓?fù)浼す馄鞯男滦脱b置可以比傳統(tǒng)激光器更有效地發(fā)光。現(xiàn)在，科學(xué)家們創(chuàng)造了第一臺(tái)在室溫下工作的電驅(qū)動(dòng)拓?fù)浼す馄?，它可以在電信領(lǐng)域得到應(yīng)用。

拓?fù)鋵W(xué)是數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，它研究形狀的哪些方面能在變形中幸存下來(lái)。例如，一個(gè)形狀像戒指的物體可能會(huì)變形成杯子的形狀，而戒指的孔形成了杯子把手上的孔。然而，這個(gè)物體無(wú)法改變成一個(gè)根本上完全不同的無(wú)孔的形狀。

Jae-Hyuck Choi et al. Nature Communications 12, 1-7 (2021)

Electrically pumped topological insulator laser structure comprising of a 10×10 network of microring cavities that are coupled to each other through link resonators.

利用拓?fù)鋵W(xué)的觀點(diǎn)，研究人員在2007年開發(fā)了第一種電子拓?fù)浣^緣體，這種絕緣體內(nèi)部絕緣，外部導(dǎo)電。沿著這些材料的邊緣或表面運(yùn)動(dòng)的電子強(qiáng)烈地抵抗了任何可能改變其流動(dòng)的干擾，并被稱為“拓?fù)浔Ｗo(hù)（topologically protected）”。

科學(xué)家們隨后設(shè)計(jì)了光子拓?fù)浣^緣體，在這種絕緣體中，光也受到類似的保護(hù)。這些材料在結(jié)構(gòu)上有規(guī)律的變化，使特定波長(zhǎng)的光沿著它們的外部流動(dòng)，甚至在拐角和缺陷處也沒(méi)有散射或損失。

下一步是開發(fā)包含拓?fù)浔Ｗo(hù)的激光器。這種拓?fù)浼す馄髦荒苡行У禺a(chǎn)生單一期望波長(zhǎng)的光，而不是通過(guò)產(chǎn)生不需要的波長(zhǎng)來(lái)浪費(fèi)能量。此外，“他們對(duì)制造或操作過(guò)程中可能出現(xiàn)的缺陷不太敏感”，這意味著即使它們有缺陷也會(huì)產(chǎn)生這樣的純光，洛杉磯南加州大學(xué)的物理學(xué)家Mercedeh Khajavikhan如此表示，因此，拓?fù)浼す馄髟谏a(chǎn)過(guò)程中可以看到更高的產(chǎn)量以及更強(qiáng)大的性能。

然而，第一種拓?fù)浼す馄餍枰粋€(gè)外部激光器來(lái)激勵(lì)它們才能工作，限制了實(shí)際應(yīng)用。最近，科學(xué)家們開發(fā)了電驅(qū)動(dòng)拓?fù)浼す馄?，但這些激光器需要-264℃的低溫，這也限制了它們的應(yīng)用。

該研究的主要作者Jae-Hyuck Choi在南加州大學(xué)，和Khajavikhan，包括另外的同事們已經(jīng)開發(fā)出第一個(gè)電泵浦室溫拓?fù)浼す馄鳎╡lectrically pumped room-temperature topological laser）。他們?cè)?月8日的《自然通訊》雜志上詳細(xì)介紹了他們的研究結(jié)果。

新裝置由一個(gè)10×10的環(huán)網(wǎng)組成，每個(gè)環(huán)寬30微米。這些環(huán)通過(guò)大約5微米寬的小長(zhǎng)方形環(huán)相互連接。所有這些環(huán)都是由多層半導(dǎo)體組成的三明治結(jié)構(gòu)，如砷化銦鎵、磷化銦和磷化銦鎵砷化銦。

傳統(tǒng)激光器只有一個(gè)儲(chǔ)存光能的諧振腔，這樣就可以產(chǎn)生激光。提高激光器輸出功率的一種方法是給它一個(gè)更大的腔，但這會(huì)導(dǎo)致激光器發(fā)射多個(gè)頻率而不是一個(gè)頻率。Khajavikhan表示，這種新型拓?fù)浼す馄骼闷?0×10的環(huán)形網(wǎng)格作為多個(gè)耦合諧振器，“就像建造一個(gè)有多個(gè)房間的房子一樣”，幫助發(fā)射純單波長(zhǎng)光。

當(dāng)這個(gè)陣列邊緣的電極電泵入這個(gè)柵極時(shí)，光環(huán)產(chǎn)生波長(zhǎng)為1.5微米的激光，這是光纖通信中最常用的波長(zhǎng)。環(huán)的尺寸和幾何結(jié)構(gòu)、環(huán)之間的位置以及半導(dǎo)體層的特定厚度和成分有助于確保激光器中的光受到拓?fù)浔Ｗo(hù)。

拓?fù)浔Ｗo(hù)有助于激光工作，即使一些環(huán)會(huì)丟失。該裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有助于確保它發(fā)射的光幾乎是所有所需的波長(zhǎng)——一個(gè)類似的陣列，環(huán)的位置稍有不同，因此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，發(fā)射出由幾個(gè)不同波長(zhǎng)組成的較不純凈的光譜。

“拓?fù)涔庾訉W(xué)已經(jīng)為多個(gè)諧振器之間的互連提供了可能，以便實(shí)現(xiàn)新的和改進(jìn)的功能，”Khajavikhan如此表示，“從社交媒體到生物生態(tài)系統(tǒng)，連通性在決定網(wǎng)絡(luò)的功能、成功和恢復(fù)能力方面發(fā)揮著重要作用?！?/p>