uma, Imagem de microscopia eletrônica de varredura de uma cavidade fabricada de cristal fotônico topológico 2D em uma forma quadrada. A inserção à direita mostra uma imagem ampliada no canto. A barra de escala é 1 μm. A nanocavidade topológica consiste em dois cristais fotônicos topologicamente distintos, que são indicados pelas áreas vermelhas e azuis. Eles têm células unitárias diferentes, conforme mostrado nas inserções. d e D são os comprimentos dos quadrados nas células unitárias azuis e vermelhas, em que D =2d. b, Perfil do campo elétrico do estado do canto topológico. Crédito:por Weixuan Zhang, Xin Xie, Huiming Hao, Jianchen Dang, Shan Xiao, Shushu Shi, Haiqiao Ni, Zhichuan Niu, Pode Wang, Kuijuan Jin, Xiangdong Zhang e Xiulai Xu
As aplicações da fotônica topológica têm sido intensamente investigadas, incluindo guia de onda unilateral e lasers topológicos. Os lasers topológicos, especialmente, têm atraído ampla atenção nos últimos anos, que foram propostas e demonstradas em vários sistemas, incluindo estados de borda 1-D em sistemas 2-D, Estados limites 0-D na rede 1-D, e estado de volume topológico em torno das bordas da banda. A maioria deles está em microescala. O nanolaser topológico com uma pequena pegada, baixo limiar e alta eficiência energética ainda precisam ser explorados. Recentemente, um novo tipo de isoladores topológicos de ordem superior que têm estados limites dimensionais mais baixos foi proposto e demonstrado em muitos sistemas, incluindo cristal fotônico 2-D. Na placa de cristal fotônico topológico 2-D de segunda ordem, existem os estados de borda 1-D com intervalo e o estado de canto 0-D com intervalo médio. Este estado de canto localizado fornece uma nova plataforma para realizar nanolasers topológicos.
Em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicações , uma equipe de cientistas, liderado pelo Professor Xiulai Xu do Laboratório Nacional de Física da Matéria Condensada de Pequim, Instituto de Física, Academia Chinesa de Ciências, China, e colaboradores demonstraram um nanolaser topológico de baixo limiar em uma nanocavidade de cristal fotônico topológico 2-D.
Com base no estado de canto de segunda ordem, uma nanocavidade topológica é projetada e fabricada. O fator de qualidade (Q) é ainda mais otimizado com um máximo teórico de 50, 000. O estado do canto é demonstrado ser robusto contra defeitos no cristal fotônico em massa. Um comportamento lasing com baixo limiar e alto fator de acoplamento de emissão espontânea (β) é observado. O desempenho é comparável ao de lasers semicondutores convencionais, indicando a grande perspectiva em uma ampla gama de aplicações para circuitos nanofotônicos topológicos.
A nanocavidade topológica consiste em dois tipos de estrutura de cristal fotônico com a estrutura de banda comum e diferentes topologias que são caracterizadas pela fase de Zak 2-D. De acordo com a correspondência de canto de borda em massa, o estado de canto 0-D de lacuna média pode ser induzido pela polarização dipolo de borda quantizada, que é altamente localizado na interseção de dois limites. O Q é otimizado com uma distribuição espacial mais suave do estado do canto, ajustando a distância de lacuna (g) entre as placas de cristal fotônico trivial e não-rival.
uma, Calculado Q (vermelho) e comprimentos de onda (preto) do estado do canto para diferentes g. A inserção mostra o esquema da otimização Q, em que o cristal fotônico topológico é desviado do canto em 2g ao longo da direção diagonal. b, Espectros de fotoluminescência (PL) para cavidades com diferentes g. A linha tracejada vermelha representa o estado do canto. Esses picos na faixa de comprimento de onda longo se originam dos estados de borda. c, Espectros PL de cavidades livres de defeitos, que mostram as variações do modo de cavidade por imperfeições de fabricação. d, Espectros PL de cavidades com diferentes números de defeitos, conforme mostrado na inserção. Os números representam o número de orifícios quadrados ausentes na maior parte do cristal fotônico. Aqui, os orifícios quadrados ausentes estão a vários períodos de distância do canto. Os espectros PL são deslocados para maior clareza. Crédito:Weixuan Zhang, Xin Xie, Huiming Hao, Jianchen Dang, Shan Xiao, Shushu Shi, Haiqiao Ni, Zhichuan Niu, Pode Wang, Kuijuan Jin, Xiangdong Zhang e Xiulai Xu
uma, Dependência da potência da bomba do estado do canto para a cavidade com a =360 nm, D =222 nm e g =30 nm, em uma escala logarítmica. A inserção mostra a curva ampliada em torno do limite em uma escala linear. Os quadrados representam os dados experimentais, e a linha representa o resultado ajustado obtido com o modelo de laser semicondutor. β é estimado em aproximadamente 0,25. O limite do laser é de aproximadamente 1 μW. b, Larguras de linha do estado do canto em função da potência da bomba. A inserção mostra os espectros PL normalizados para diferentes potências de bomba. A largura de linha mostra um estreitamento claro. As larguras de linha e intensidades são extraídas ajustando os espectros de alta resolução com funções de pico de Lorentz. Crédito:Weixuan Zhang, Xin Xie, Huiming Hao, Jianchen Dang, Shan Xiao, Shushu Shi, Haiqiao Ni, Zhichuan Niu, Pode Wang, Kuijuan Jin, Xiangdong Zhang e Xiulai Xu
As nanocavidades topológicas projetadas com diferentes parâmetros são fabricadas em placas de GaAs com uma alta densidade de pontos quânticos de InGaAs. A tendência de Q com g concorda bem com a previsão teórica, enquanto os valores são aproximadamente uma ordem de magnitude menor do que a previsão teórica devido à imperfeição de fabricação. Embora o comprimento de onda Q e de ressonância do estado de canto sejam suscetíveis a desordem ao virar da esquina, o estado de canto é topologicamente protegido pelas fases não triviais 2-D Zak da banda em massa e é robusto contra os defeitos no cristal fotônico em massa, que foi demonstrado experimentalmente.
Um comportamento de lasing com alto desempenho é observado em 4,2 K com pontos quânticos como meio de ganho. O limite de laser é cerca de 1 μW e β é cerca de 0,25. O desempenho é muito melhor do que os lasers de borda topológica, especialmente o limite que é cerca de três ordens de magnitude menor do que a maioria dos lasers de borda topológica. O alto desempenho resulta do forte confinamento óptico na cavidade devido ao pequeno volume de modo e alto Q.
Este resultado reduz as aplicações da fotônica topológica em nanoescala, que será de grande importância para o desenvolvimento de circuitos nanofotônicos topológicos. Além disso, a nanocavidade topológica pode aumentar muito a interação luz-matéria, portanto, permitindo a investigação da eletrodinâmica quântica de cavidade e as outras aplicações potenciais em dispositivos nanofotônicos topológicos.
