Se entiende que un nuevo tipo de dispositivo llamado láser topológico puede emitir luz de manera más eficiente que los láseres tradicionales. Ahora, los científicos han creado el primer láser de topología accionado eléctricamente que funciona a temperatura ambiente, que se puede utilizar en el campo de las telecomunicaciones.
La topología es una rama de las matemáticas que estudia qué aspectos de la forma pueden sobrevivir a la deformación. Por ejemplo, un objeto con forma de anillo puede deformarse en forma de taza, y el agujero en el anillo forma el agujero en el mango de la taza. Sin embargo, este objeto no se puede cambiar a una forma fundamentalmente diferente, no porosa.
Utilizando la perspectiva de la topología, los investigadores desarrollaron el primer aislante topológico electrónico en 2007. Este aislante está aislado internamente y es externo conductor. Los electrones que se mueven a lo largo de los bordes o superficies de estos materiales resisten fuertemente cualquier interferencia que pueda cambiar su flujo, y se denominan "topológicamente protegidos".
Luego, los científicos diseñaron aislantes topológicos fotónicos en los que la luz está protegida de manera similar. Estos materiales tienen cambios regulares en la estructura, de modo que la luz de una longitud de onda específica fluye a lo largo de su exterior, y no hay dispersión o pérdida incluso en esquinas y defectos.
El siguiente paso es desarrollar láseres que incluyan protección topológica. Este tipo de láser topológico solo puede producir efectivamente luz de una sola longitud de onda deseada, en lugar de desperdiciar energía al producir longitudes de onda no deseadas. Además, "no son muy sensibles a los defectos que pueden ocurrir durante la fabricación o la operación", lo que significa que incluso si tienen defectos, producirán esa luz pura, dijo Mercedeh Khajavikhan, física de la Universidad del Sur de California en Los Ángeles. Por lo tanto, los láseres topológicos pueden ver una mayor producción y un rendimiento más potente en el proceso de producción.
Sin embargo, los primeros láseres de topología requieren un láser externo para excitarlos para que funcionen, lo que limita las aplicaciones prácticas. Recientemente, los científicos han desarrollado láseres topológicos accionados eléctricamente, pero estos láseres requieren una temperatura baja de -264 ° C, lo que también limita sus aplicaciones.
El autor principal del estudio, Jae-Hyuck Choi, de la Universidad del Sur de California, Khajavikhan, y otros colegas han desarrollado el primer láser topológico a temperatura ambiente bombeado eléctricamente. Detallaron sus hallazgos en la edición del 8 de junio de Nature Communications.
El nuevo dispositivo consiste en una red de anillos 10×10, cada anillo de 30 micras de ancho. Estos anillos están conectados entre sí por pequeños anillos rectangulares de aproximadamente 5 micras de ancho. Todos estos anillos son estructuras sándwich compuestas de semiconductores multicapa, como el arseniuro de indio y galio, el fosfuro de indio y el arseniuro de indio galio indio.
El láser tradicional tiene solo una cavidad resonante que almacena la energía de la luz, de modo que puede generar luz láser. Una forma de aumentar la potencia de salida de un láser es darle una cavidad más grande, pero esto hará que el láser emita múltiples frecuencias en lugar de una. Khajavikhan dijo que este nuevo láser de topología utiliza su rejilla de anillo 10×10 como resonadores acoplados múltiples, "al igual que construir una casa con múltiples habitaciones" para ayudar a emitir luz pura de una sola longitud de onda.
Cuando los electrodos en el borde de la matriz se bombean eléctricamente a la red, el halo produce luz láser con una longitud de onda de 1,5 micras, que es la longitud de onda más utilizada en las comunicaciones de fibra óptica. El tamaño y la geometría de los anillos, la ubicación entre los anillos y el grosor y la composición específicos de las capas semiconductoras ayudan a garantizar que la luz en el láser esté topológicamente protegida.
La protección topológica ayuda al trabajo con láser, incluso si se pierden algunos anillos. La topología del dispositivo también ayuda a garantizar que la luz que emite sea casi todas las longitudes de onda requeridas: una matriz similar, la ubicación del anillo es ligeramente diferente, por lo que la topología es diferente y emite menos luz compuesta de varias longitudes de onda diferentes. Espectro puro.
"La fotónica topológica ha hecho posible la interconexión de múltiples resonadores para realizar funciones nuevas y mejoradas", dijo Khajavikhan. "Desde las redes sociales hasta los ecosistemas biológicos, la conectividad determina las funciones de la red, juega un papel importante en el éxito y la resiliencia".
