Pesquisadores israelenses e alemães desenvolveram uma maneira de forçar uma série de lasers de cavidade vertical a agirem juntos como um único laser - uma rede de laser altamente eficaz do tamanho de um grão de areia. Os resultados são apresentados em um novo artigo de pesquisa conjunta publicado online pela prestigiosa revista. Ciência na sexta, 24 de setembro.

Celulares, sensores automotivos ou transmissão de dados em redes de fibra óptica estão usando os chamados Lasers de Emissão de Superfície de Cavidade Vertical (VCSELs) - lasers semicondutores que estão firmemente ancorados em nossa tecnologia cotidiana. Embora amplamente utilizado, o dispositivo VCSEL tem tamanho minúsculo de apenas alguns mícrons, que define um limite estrito na potência de saída que pode gerar. Por anos, os cientistas têm procurado aumentar a potência emitida por esses dispositivos combinando muitos VCSELs minúsculos e forçando-os a agir como um único laser coerente, mas teve sucesso limitado. A descoberta atual usa um esquema diferente:ele emprega um arranjo geométrico único de VCSELs no chip que força o voo a fluir em um caminho específico - uma plataforma isolante topológica fotônica.

De isoladores topológicos a lasers topológicos

Isoladores topológicos são materiais quânticos revolucionários que isolam por dentro, mas conduzem eletricidade em sua superfície - sem perdas. Vários anos atrás, o grupo Technion liderado pelo Prof. Mordechai Segev introduziu essas ideias inovadoras na fotônica, e demonstrou o primeiro 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. Isso abriu um novo campo, agora conhecido como "Fotônica Topológica, "onde centenas de grupos atualmente têm pesquisas ativas. Em 2018, o mesmo grupo também encontrou uma maneira de usar as propriedades de isoladores topológicos fotônicos para forçar muitos lasers de microanéis a travar juntos e agir como um único laser. Mas esse sistema ainda tinha um grande gargalo:a luz circulava no chip fotônico confinado ao mesmo plano usado para extrair a luz. Isso significava que todo o sistema estava novamente sujeito a um limite de potência, imposto pelo dispositivo usado para tirar a luz, semelhante a ter um único soquete para toda uma usina. A descoberta atual usa um esquema diferente:os lasers são forçados a travar dentro do chip planar, mas a luz agora é emitida através da superfície do chip a partir de cada minúsculo laser e pode ser facilmente coletada.

Circunstâncias e participantes

Este projeto de pesquisa germano-israelense originou-se principalmente durante a pandemia Corona. Sem o enorme comprometimento dos pesquisadores envolvidos, este marco científico não teria sido possível. A pesquisa foi conduzida por Ph.D. estudante Alex Dikopoltsev da equipe do Distinto Professor Mordechai Segev, do Departamento de Física e do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação do Technion - Instituto de Tecnologia de Israel, e Ph.D. estudante Tristan H. Harder da equipe do Prof. Sebastian Klembt e do Prof. Sven Höfling na cadeira de Física Aplicada da Universidade de Würzburg, e o Cluster of Excellence ct.qmat - Complexidade e Topologia em Matéria Quântica, em colaboração com pesquisadores de Jena e Oldenburg. A fabricação do dispositivo aproveitou as excelentes instalações de sala limpa da Universidade de Würzburg.

O longo caminho para novos lasers topológicos

"É fascinante ver como a ciência evolui, "disse o Prof. Segev do Technion." Passamos de conceitos fundamentais da física para mudanças fundamentais neles, e agora para a tecnologia real que agora está sendo buscada pelas empresas. Em 2015, quando começamos a trabalhar em lasers isolantes topológicos, ninguem acreditou que e possivel, porque os conceitos topológicos conhecidos naquela época eram limitados a sistemas que não, na verdade - não posso - ter ganho. Mas todos os lasers exigem ganho. Portanto, os lasers isolantes topológicos se opuseram a tudo o que se conhecia naquela época. Éramos como um bando de lunáticos em busca de algo considerado impossível. E agora demos um grande passo em direção a uma tecnologia real que tem muitas aplicações. "

A equipe israelense e alemã utilizou os conceitos de fotônica topológica com VCSELs que emitem a luz verticalmente, enquanto o processo topológico responsável pela coerência mútua e travamento dos VCSELs ocorre no plano do chip. O resultado final é um laser poderoso, mas muito compacto e eficiente, não limitado por um número de emissores VCSEL, e sem ser perturbado por defeitos ou alterações de temperatura.

"O princípio topológico deste laser geralmente funciona para todos os comprimentos de onda e, portanto, em uma variedade de materiais, "explica o líder do projeto alemão, Prof. Sebastian Klembt, da Universidade de Würzburg, trabalhando na interação luz-matéria e fotônica topológica dentro do cluster de excelência ct.qmat. "Exatamente quantos microlasers precisam ser organizados e conectados sempre dependerá inteiramente da aplicação. Podemos expandir o tamanho da rede de laser para um tamanho muito grande, e, em princípio, permanecerá coerente também para um grande número. É ótimo ver essa topologia, originalmente um ramo da matemática, surgiu como uma nova caixa de ferramentas revolucionária para controlar, direção e melhoria das propriedades do laser. "

A pesquisa inovadora demonstrou que é de fato teoricamente e experimentalmente possível combinar VCSELs para obter um laser mais robusto e altamente eficiente. Como tal, os resultados do estudo abrem caminho para aplicações de inúmeras tecnologias futuras, como dispositivos médicos, comunicações, e uma variedade de aplicativos do mundo real.