Cientistas e engenheiros da Universidade Tecnológica de Nanyang, Cingapura (NTU Cingapura) e a Universidade de Leeds no Reino Unido criaram o primeiro laser topológico acionado eletricamente, que tem a capacidade de direcionar partículas de luz em torno dos cantos e de lidar com defeitos na fabricação do dispositivo.

Os lasers semicondutores eletricamente acionados são o tipo mais comum de dispositivo a laser hoje. Eles são usados ​​em produtos como leitores de código de barras e impressoras a laser, para comunicações de fibra óptica, e em aplicações emergentes, como sensores de alcance a laser para carros autônomos.

Contudo, sua fabricação é um processo exigente, e os projetos atuais do laser não funcionam bem se quaisquer defeitos forem introduzidos na estrutura do laser durante esses processos.

Cingapura-Reino Unido Avanço relatado em Natureza supera esse problema de longa data e promete levar a uma fabricação mais eficiente e menos dispendiosa usando as tecnologias de semicondutores existentes. Isso é realizado através do aproveitamento de um conceito da física teórica conhecido como estados topológicos para fazer um laser topológico.

Nos anos 1980, os cientistas descobriram que os elétrons que fluem em certos materiais têm características topológicas, o que significa que eles podem fluir em torno dos cantos ou imperfeições sem espalhar ou vazar. O Prêmio Nobel de Física de 2016 foi concedido a três físicos teóricos que foram os pioneiros no estudo desses estados topológicos dos elétrons.

Agora, uma equipe interdisciplinar de engenheiros e físicos da NTU Singapore em colaboração com cientistas de materiais da University of Leeds, aplicaram esta abordagem topológica a partículas de luz, conhecidos como fótons.

"Cada lote de dispositivo a laser fabricado tem alguma fração que falha em emitir luz laser devido a imperfeições introduzidas durante a fabricação e embalagem, "disse o professor Qi Jie Wang, o cientista-chefe da Escola de Engenharia Elétrica e Eletrônica da NTU Singapore. "Esta foi uma das nossas motivações para explorar estados topológicos de luz, que são muito mais robustas do que as ondas de luz comuns. "

No presente estudo, os pesquisadores trabalharam com um tipo de laser acionado eletricamente chamado laser de cascata quântica, baseado em wafers de semicondutores avançados desenvolvidos na Universidade de Leeds.

Um autor sênior do estudo, Professor Giles Davies FREng, pró-reitor de pesquisa e inovação na Faculdade de Engenharia e Ciências Físicas da Universidade de Leeds, disse, "O laser topológico é um ótimo exemplo de um fenômeno científico fundamental fascinante sendo aplicado a um dispositivo eletrônico prático, e como nosso estudo mostra, tem o potencial de melhorar o desempenho dos sistemas a laser. "

Para atingir estados topológicos em uma plataforma de laser, a equipe de NTU e Leeds desenvolveu um novo design contendo um cristal fotônico Valley, que foi inspirado em materiais topológicos eletrônicos conhecidos como isoladores Valleytronic bidimensionais.

O projeto consiste em orifícios hexagonais dispostos em uma rede triangular, gravado em um wafer semicondutor, tornando-o extremamente compacto.

Dentro da microestrutura, os estados topológicos da luz circulam dentro de um loop triangular de circunferência de 1,2 milímetros, atuando como um ressonador óptico para acumular a energia luminosa necessária para formar um feixe de laser.

"O fato de que a luz circula neste loop, incluindo contornar os cantos agudos do triângulo, é devido às características especiais dos estados topológicos, "diz o professor associado Yi Dong Chong, um físico teórico da NTU Singapura e co-investigador principal do projeto. "Ondas de luz comuns seriam interrompidas pelos cantos agudos, impedindo que eles circulem sem problemas. "

Os pesquisadores observam que uma característica interessante do novo laser em cascata quântica topológica é que a luz que ele emite está em frequências terahertz entre as regiões de microondas e infravermelho do espectro eletromagnético. A luz Terahertz foi identificada como um dos principais reinos a partir do qual as futuras aplicações tecnológicas em detecção, iluminação, e comunicações sem fio podem surgir.

Este projeto de pesquisa durou dois anos, e envolveu uma equipe interdisciplinar de doze pesquisadores. Os membros da equipe também incluem físicos NTU:Professor Associado Baile Zhang, pesquisador de pós-doutorado e primeiro autor do artigo, Dr. Yongquan Zeng; bem como o professor Edmund Linfield, Professor de Terahertz Eletrônica, e Dra. Lianhe Li, Pesquisador Sênior, ambos em Leeds.

Olhando para a frente, a equipe conjunta está trabalhando em lasers que fazem uso de outros tipos de estados topológicos.

"O design que usamos neste projeto, chamado de cristal fotônico vale, não é a única maneira de criar estados topológicos, "Disse o professor Wang." Existem muitos tipos diferentes de estados topológicos, transmitindo proteção contra diferentes tipos de imperfeições. Acreditamos que será possível adaptar o design às necessidades de diferentes dispositivos e aplicativos. "

Em 2018, uma equipe do Technion — Israel Institute of Technology e da University of Central Florida nos EUA desenvolveu um laser topológico feito de uma série de ressonadores ópticos conectados. Os pesquisadores mostraram que os estados topológicos da luz podem viajar com eficiência em torno de cantos e defeitos na matriz do laser. Contudo, este protótipo de laser tinha a desvantagem de ser muito maior do que a maioria dos lasers semicondutores, além de ser orientado opticamente, o que significa que foi alimentado por outro laser.