據(jù)了解，被稱為拓撲激光器的新型裝置可以比傳統(tǒng)激光器更有效地發(fā)光?，F(xiàn)在，科學家們創(chuàng)造了第一臺在室溫下工作的電驅(qū)動拓撲激光器，它可以在電信領(lǐng)域得到應(yīng)用。

拓撲學是數(shù)學的一個分支，它研究形狀的哪些方面能在變形中幸存下來。例如，一個形狀像戒指的物體可能會變形成杯子的形狀，而戒指的孔形成了杯子把手上的孔。然而，這個物體無法改變成一個根本上完全不同的無孔的形狀。

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.

利用拓撲學的觀點，研究人員在2007年開發(fā)了第一種電子拓撲絕緣體，這種絕緣體內(nèi)部絕緣，外部導電。沿著這些材料的邊緣或表面運動的電子強烈地抵抗了任何可能改變其流動的干擾，并被稱為“拓撲保護（topologically protected）”。

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

下一步是開發(fā)包含拓撲保護的激光器。這種拓撲激光器只能有效地產(chǎn)生單一期望波長的光，而不是通過產(chǎn)生不需要的波長來浪費能量。此外，“他們對制造或操作過程中可能出現(xiàn)的缺陷不太敏感”，這意味著即使它們有缺陷也會產(chǎn)生這樣的純光，洛杉磯南加州大學的物理學家Mercedeh Khajavikhan如此表示，因此，拓撲激光器在生產(chǎn)過程中可以看到更高的產(chǎn)量以及更強大的性能。

然而，第一種拓撲激光器需要一個外部激光器來激勵它們才能工作，限制了實際應(yīng)用。最近，科學家們開發(fā)了電驅(qū)動拓撲激光器，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，和Khajavikhan，包括另外的同事們已經(jīng)開發(fā)出第一個電泵浦室溫拓撲激光器（electrically pumped room-temperature topological laser）。他們在6月8日的《自然通訊》雜志上詳細介紹了他們的研究結(jié)果。

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

傳統(tǒng)激光器只有一個儲存光能的諧振腔，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更大的腔，但這會導致激光器發(fā)射多個頻率而不是一個頻率。Khajavikhan表示，這種新型拓撲激光器利用其10×10的環(huán)形網(wǎng)格作為多個耦合諧振器，“就像建造一個有多個房間的房子一樣”，幫助發(fā)射純單波長光。

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

拓撲保護有助于激光工作，即使一些環(huán)會丟失。該裝置的拓撲結(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——一個類似的陣列，環(huán)的位置稍有不同，因此拓撲結(jié)構(gòu)不同，發(fā)射出由幾個不同波長組成的較不純凈的光譜。

“拓撲光子學已經(jīng)為多個諧振器之間的互連提供了可能，以便實現(xiàn)新的和改進的功能，”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、成功和恢復能力方面發(fā)揮著重要作用。”