Người ta hiểu rằng một loại thiết bị mới được gọi là laser tôpô có thể phát ra ánh sáng hiệu quả hơn so với laser truyền thống. Giờ đây, các nhà khoa học đã tạo ra tia laser tôpô điều khiển bằng điện đầu tiên hoạt động ở nhiệt độ phòng, có thể được sử dụng trong lĩnh vực viễn thông.
Tôpô là một nhánh của toán học nghiên cứu những khía cạnh nào của hình dạng có thể tồn tại khi bị biến dạng. Ví dụ, một vật có hình dạng như một chiếc nhẫn có thể biến dạng thành hình dạng của một chiếc cốc, và lỗ trên chiếc nhẫn tạo thành lỗ trên tay cầm của chiếc cốc. Tuy nhiên, vật thể này không thể thay đổi thành một hình dạng khác, không xốp về cơ bản.
Sử dụng quan điểm của cấu trúc liên kết, các nhà nghiên cứu đã phát triển chất cách điện tôpô điện tử đầu tiên vào năm 2007. Chất cách điện này được cách điện bên trong và dẫn điện bên ngoài. Các điện tử di chuyển dọc theo các cạnh hoặc bề mặt của những vật liệu này chống lại mạnh mẽ bất kỳ sự can thiệp nào có thể làm thay đổi dòng chảy của chúng, và được gọi là "được bảo vệ về mặt cấu trúc liên kết".
Sau đó, các nhà khoa học đã thiết kế chất cách điện tôpô quang tử trong đó ánh sáng được bảo vệ tương tự. Những vật liệu này có những thay đổi thường xuyên về cấu trúc, do đó ánh sáng có bước sóng cụ thể chảy dọc theo bên ngoài của chúng, và không có sự tán xạ hoặc mất mát ngay cả ở các góc và khuyết tật.
Bước tiếp theo là phát triển laser bao gồm bảo vệ tôpô. Loại laser tôpô này chỉ có thể tạo ra ánh sáng có bước sóng mong muốn một cách hiệu quả, thay vì lãng phí năng lượng bằng cách tạo ra các bước sóng không mong muốn. Ngoài ra, "chúng không nhạy cảm lắm với các khuyết tật có thể xảy ra trong quá trình sản xuất hoặc vận hành", có nghĩa là ngay cả khi chúng có khuyết tật, chúng sẽ tạo ra ánh sáng tinh khiết như vậy, Mercedeh Khajavikhan, một nhà vật lý tại Đại học Nam California ở Los. Angeles. Do đó, Laser tôpô có thể thấy sản lượng cao hơn và hiệu suất mạnh mẽ hơn trong quá trình sản xuất.
Tuy nhiên, các laser cấu trúc liên kết đầu tiên yêu cầu một tia laser bên ngoài để kích thích chúng hoạt động, điều này hạn chế các ứng dụng thực tế. Gần đây, các nhà khoa học đã phát triển các laze tô pô điều khiển bằng điện, nhưng các laze này yêu cầu nhiệt độ thấp -264 độ, điều này cũng hạn chế các ứng dụng của chúng.
Tác giả chính của nghiên cứu Jae-Hyuck Choi tại Đại học Nam California, Khajavikhan và các đồng nghiệp khác đã phát triển tia laser tôpô nhiệt độ phòng đầu tiên được bơm điện. Họ đã trình bày chi tiết những phát hiện của mình trên tạp chí Nature Communications ngày 8/6.
Thiết bị mới bao gồm một mạng vòng 10 × 10, mỗi vòng rộng 30 micron. Các vòng này được kết nối với nhau bằng các vòng hình chữ nhật nhỏ có chiều rộng khoảng 5 micron. Tất cả các vòng này là cấu trúc bánh sandwich bao gồm các chất bán dẫn nhiều lớp, chẳng hạn như arsenide indium gali, indium phosphide và indium gallium indium arsenide.
Laze truyền thống chỉ có một khoang cộng hưởng lưu trữ năng lượng ánh sáng, để nó có thể tạo ra ánh sáng laze. Một cách để tăng công suất đầu ra của tia laser là tạo cho nó một khoang lớn hơn, nhưng điều này sẽ khiến tia laser phát ra nhiều tần số thay vì một tần số. Khajavikhan nói rằng tia laser cấu trúc liên kết mới này sử dụng lưới vòng 10 × 10 của nó như nhiều bộ cộng hưởng ghép nối, "giống như xây một ngôi nhà có nhiều phòng" để giúp phát ra ánh sáng đơn bước sóng.
Khi các điện cực ở rìa của mảng được bơm điện vào lưới điện, vầng hào quang tạo ra ánh sáng laze có bước sóng 1,5 micron, đây là bước sóng được sử dụng phổ biến nhất trong truyền thông cáp quang. Kích thước và hình dạng của các vòng, vị trí giữa các vòng, độ dày và thành phần cụ thể của các lớp bán dẫn giúp đảm bảo rằng ánh sáng trong laser được bảo vệ về mặt cấu trúc liên kết.
Bảo vệ tôpô giúp laser hoạt động, ngay cả khi một số vòng sẽ bị mất. Cấu trúc liên kết của thiết bị cũng giúp đảm bảo rằng ánh sáng mà nó phát ra gần như là tất cả các bước sóng cần thiết - một mảng tương tự, vị trí của vòng tròn hơi khác nhau, do đó cấu trúc liên kết khác nhau và nó phát ra ít ánh sáng hơn bao gồm một số bước sóng khác nhau . Quang phổ tinh khiết.
Khajavikhan cho biết: “Quang tử tôpô đã tạo điều kiện cho sự kết nối với nhau của nhiều bộ cộng hưởng để thực hiện các chức năng mới và cải tiến”. "Từ phương tiện truyền thông xã hội đến hệ sinh thái sinh học, kết nối xác định các chức năng mạng, Đóng một vai trò quan trọng trong sự thành công và khả năng phục hồi."
