Спасибо, что вы с нами!

Предложена концепция «топологического лазера»

Физики из США и Израиля выдвинули принципиально новую концепцию лазера на основе топологических изоляторов. Он будет отличаться от обычных лазеров рядом преимуществ — например, устойчивостью к помехам и дефектам.
Комментарии
...

«Топологические изоляторы» — это новый класс материалов, предсказанный теоретически и открытый экспериментально в 2007—2008 годах. От обычных изоляторов они отличаются своеобразной симметрией волновой функции электронов, обусловленной наличием некоторых сохраняющихся величин — так называемых топологических инвариантов (откуда и происходит их название). Это приводит к тому, что на поверхности такого изолятора электроны могут существовать в особенных состояниях, характеризующихся тремя связанными свойствами: 1) спин этих электронов согласован с направлением их движения, 2) они располагаются внутри запрещенной зоны изолятора, что делает возможной передачу электрического тока, 3) эти электроны не могут рассеиваться на примесях, дефектах, неоднородностях поверхности и т.д. — говорят, что их движение «топологически защищено».

В результате топологический изолятор внутри своего объема ведет себя как обычный изолятор, однако его тонкий приповерхностный слой обладает очень высокой проводимостью. Причем его невозможно разрушить загрязнением или повреждением структуры поверхности. Эти свойства вызывают большой интерес к топологическим изоляторам и попытки использовать их в спинтронике, для создания квантовых компьютеров и в других областях.

Однако до сих пор приложения топологических изоляторов не включали нелинейные системы с усилением, какими являются лазеры. Авторы новой работы впервые теоретически выдвинули эту идею и исследовали ее перспективы с помощью компьютерного моделирования будущих устройств.

Топологические изоляторы бывают двух типов: объемные (3D) и плоские (2D). В первом случае проводящей является поверхность материала, а во втором — край пленки, представляющий собой что-то вроде проволочной петли, ток по которой может течь либо по часовой стрелке, либо против. В исследовании рассматривались две модели топологического изолятора, представляющие собой двумерную сетку связанных микроскопических резонаторов. Когда на такую сетку подается энергия, расположенные на краю резонаторы начинают возбуждаться. При достижении некоторого порогового уровня накачки эти резонаторы формируют одну единую моду, которая начинает излучать фотоны одинаковой частоты, — устройство переходит в режим лазера.

Моделирование показало, что «топологическая защита» в новом типе лазеров приводит к более высокой эффективности и устойчивости к различным возмущениям. Если в обычном лазере выпадение всего одного резонатора будет вести к разрушению моды, то в топологическом этого не произойдет — мода как бы сама собой подстроится под новую конфигурацию.

Наконец, ранее не удавалось объединять несколько лазеров малой мощности в один. «Топологические лазеры» справляются с такой задачей: объединение двух таких сеток резонаторов будет обладать одной общей границей, которая будет генерировать одну моду.

Пока «топологический лазер» — лишь интересное теоретическое предложение. Однако учитывая скорость, с которой в последние годы развиваются различные приложения топологических изоляторов, его практической реализации вряд ли придется ждать долго.

Исследование опубликовано в журнале Science.

Разработкой и исследованием топологических изоляторов занимаются и российские ученые.

Комментарии
...