Pesquisadores israelenses e americanos desenvolveram um novo, sistema de laser semicondutor coerente e robusto de alta eficiência:o laser isolante topológico.

Os resultados são apresentados em dois novos artigos de pesquisa conjunta, um descrevendo a teoria e os outros experimentos, publicado online hoje pela prestigiosa revista Ciência .

Os isoladores topológicos são uma das áreas mais inovadoras e promissoras da física nos últimos anos, fornecendo uma nova visão sobre o entendimento básico de transporte protegido. São materiais especiais que são isolantes em seu interior, mas conduzem uma "supercorrente" em sua superfície:a corrente em sua superfície não é afetada por defeitos, cantos agudos ou desordem; ele continua unidirecionalmente sem ser espalhado.

Os estudos foram conduzidos pelo Professor Mordechai Segev, do Technion – Israel Institute of Technology, e sua equipe:Dr. Miguel A. Bandres e Gal Harari, em colaboração com os professores Demetrios N. Christodoulides e Mercedeh Khajavikhan e seus alunos Steffen Wittek, Midya Parto e Jinhan Ren na CREOL, Faculdade de Óptica e Fotônica, University of Central Florida, junto com cientistas dos Estados Unidos e de Cingapura.

Vários anos atrás, o mesmo grupo do Technion introduziu essas ideias na fotônica, e demonstrou um isolador topológico fotônico, onde a luz viaja em torno das bordas de uma matriz bidimensional de guias de ondas sem ser afetada por defeitos ou desordem.

Agora, os pesquisadores descobriram uma maneira de usar as propriedades dos isoladores topológicos fotônicos para construir um novo tipo de laser que mostra um comportamento fundamental único e melhora muito a robustez e o desempenho das matrizes de lasers, abrindo a porta para um grande número de aplicações futuras.

"Este novo sistema de laser ia contra todo o conhecimento comum sobre isoladores topológicos, "disse o Prof Segev." Em uma casca de noz, acreditava-se que as propriedades de robustez únicas de isoladores topológicos falham quando o sistema contém ganho, como todos os lasers devem ter. Mas nós mostramos que esta robustez especial sobrevive em sistemas a laser que têm um design especial ("topológico"), e é capaz de tornar os lasers muito mais eficientes, mais coerente, e ao mesmo tempo imune a todos os tipos de imperfeições de fabricação, defeitos e semelhantes. Este parece ser um caminho empolgante para fazer arranjos de lasers em miniatura funcionarem juntos como um só:um único laser de alta potência altamente coerente. "

Em sua pesquisa, os cientistas construíram um arranjo especial de ressonadores de micro anéis cujo modo de laser exibe transporte protegido topologicamente - a luz se propaga em uma direção ao longo das bordas do arranjo de laser, imune a defeitos e desordem e não é afetado pelo formato das bordas. Isto por sua vez, como eles demonstraram experimentalmente, leva a um laser de modo único altamente eficiente que dura muito acima do limite do laser. "É um grande prazer ver resultados de pesquisas fundamentais para ter aplicações tão profundas, mas tangíveis", disse o Prof. Christodouldies da UCF.

A matriz fabricada usou materiais semicondutores padrão, sem a necessidade de campos magnéticos ou materiais magneto-ópticos exóticos; portanto, pode ser integrado em dispositivos semicondutores. "Nos últimos anos, descobrimos novos truques para manipular a luz de uma forma sem precedentes. Aqui, usando designs inteligentes, enganamos os fótons para sentir como se estivessem experimentando um campo magnético e tivessem spin, "disse o Prof. Khajavikhan, um dos principais cientistas da equipe.

Os pesquisadores demonstraram que não são apenas os lasers isolantes topológicos teoricamente possíveis e experimentalmente viáveis, mas a integração dessas propriedades cria lasers mais eficientes. Como tal, os resultados do estudo abrem o caminho para uma nova classe de dispositivos fotônicos topológicos ativos que podem ser integrados com sensores, antenas e outros dispositivos fotônicos.