探索一切可能：新型拓撲激光器具有任意空腔形狀。
美國研究人員研發(fā)出一種新型激光器，光線可以在任意形狀的空腔中反射且不發(fā)生散射。研究人員聲稱該種“拓撲激光器”使用遠距通信波長，能夠促進硅光子器件的小型化，并保證量子信息不被散射。拓撲絕緣體的大部分體積無法通過電流，但可進行邊緣態(tài)的單方向?qū)щ?，在沒有散射或漏電的情況下，能夠巧妙地繞過角落和表面的瑕疵。
在任意導體薄片上施加電場以及垂直于電場的磁場即可產(chǎn)生該種“受拓撲保護”的電流。在拓撲絕緣體的大部分，電子僅做簡單的繞圈運動，但邊緣處的電子以半圓形的軌跡跳躍。由于光子沒有磁矩，因此不受磁場的直接影響，但可通過入射光激發(fā)的電子來實現(xiàn)類似的效果。磁場對這些電子產(chǎn)生不同的影響，反過來也會對光產(chǎn)生不同的影響。
美國加利福尼亞大學圣地亞哥分校的應用物理學家Boubacar解釋道：“光子與磁場的相互作用通過拓撲絕緣體傳遞。”該理論在低頻下適用。
從理論到實踐
在硅光子學中，紅外波長下材料對磁場的反應非常微弱，因此許多研究人員認為這將無法產(chǎn)生光學帶隙，即在該光譜區(qū)域內(nèi)材料的大部分體積內(nèi)無法傳輸電磁波。然而，Boubacar和他的學生們并沒有退縮，他們“做了一些計算來驗證這些假設的正確性”。他們意識到，僅能在極短的波長帶寬內(nèi)傳輸這一缺點可以用于需要窄帶寬的激光器中。
為了研究這一點，研究人員使用了兩種光子晶體——由磷化砷鎵銦制成的周期性光學納米結(jié)構(gòu)。研究人員將其中一個光子晶體保存在另一個光子晶體內(nèi)部，并將兩個晶體置于磁性礦物釔鐵石榴石的頂部。內(nèi)部晶體由一系列排列成正方形柵格狀的星形晶胞組成，而外部晶體為具有圓柱孔的三角形柵格狀。兩個晶體之間的接觸面則是激光器的空腔，激光在該空腔中被放大。
光學帶隙的形成
這兩種不同形狀的光子晶體產(chǎn)生了單向且穩(wěn)定的光子邊緣態(tài)，非常類似于拓撲絕緣體中的電子邊緣態(tài)。其引發(fā)的磁場能產(chǎn)生僅為42μm的光學帶隙，并在大約1550nm處完全反射，該區(qū)域為光纖光學傳輸中最長使用的波長范圍。
Boubacar解釋道：“光無法穿透兩面拓撲不同的鏡子，但可以在它們之間傳播，因為其擁有不同的拓撲。”磷化砷鎵銦在被激光器激發(fā)時自發(fā)發(fā)光，這種光存在于拓撲不同的材料之間的邊緣態(tài)內(nèi)。因此這種邊緣態(tài)能夠?qū)θ我庑螤畹募す馄骺涨恍纬缮⑸浔Ｗo。
光束的提取
為了提取光束，研究人員去除了外部光子晶體的一排空隙，以產(chǎn)生空腔中瞬逝場的波導耦合，即一種由空腔內(nèi)光波產(chǎn)生的非傳播式電磁干擾。研究人員發(fā)現(xiàn)從波導中形成的光強烈地傾向于某一個方向，這證明該種光在單向邊緣模式下產(chǎn)生。
研究人員表示，這種特性是非常有用的，因為反射回空腔的激光束可以注入噪聲，甚至破壞大功率的腔體。預防該種情況的設備通常體積龐大且需消耗大量能源。Boubacar表示：“現(xiàn)在我們有一種設備能夠選擇光入射的方向，使其無法再返回源頭。”
任意形狀的空腔可以實現(xiàn)集成光電子元件更密集的封裝，從而提高元件的運行速度。此外，無散射光子路徑的使用能夠在量子電路周圍傳輸更長距離的量子態(tài)。研究人員目前正在研發(fā)電動激光器，以避免使用大體積激光器。
舉世矚目的研究成果
美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Andrea認為這是首個非交互的拓撲光子材料，由于光學中的磁偏是不可逆的。“這項實驗結(jié)果舉世矚目，我知道很多人都在為此努力。”然而Andrea對一些潛在應用持懷疑態(tài)度，例如激光器的小型化，因為光子晶體需要的晶胞數(shù)量過多。
“通常，當晶胞間的距離為半波長時出現(xiàn)第一個帶隙，即750nm處。研究人員需要大量的晶胞來產(chǎn)生連接界面。有很多方法可以制造比這更小的激光器。”Andrea表示，研究中沒有提到的一個潛在且有趣的方法為創(chuàng)建具有角動量的激光束。
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