Des chercheurs israéliens et américains ont développé un nouveau système laser à semi-conducteur cohérent et robuste très efficace :le laser à isolant topologique.

Les résultats sont présentés dans deux nouveaux articles de recherche conjoints, l'un décrivant la théorie et l'autre les expériences, publié en ligne aujourd'hui par la prestigieuse revue Science .

Les isolants topologiques sont l'un des domaines de la physique les plus innovants et les plus prometteurs de ces dernières années, fournir un nouvel aperçu de la compréhension de base du transport protégé. Ce sont des matériaux spéciaux qui sont isolants à l'intérieur mais conduisent un "super-courant" à leur surface :le courant à leur surface n'est pas affecté par les défauts, angles vifs ou désordre; il continue unidirectionnellement sans être dispersé.

Les études ont été menées par le professeur Mordechai Segev, de l'Institut de technologie Technion-Israël, et son équipe :Dr Miguel A. Bandres et Gal Harari, en collaboration avec les professeurs Demetrios N. Christodoulides et Mercedeh Khajavikhan et leurs étudiants Steffen Wittek, Midya Parto et Jinhan Ren au CREOL, Collège d'optique et de photonique, Université de Floride centrale, avec des scientifiques des États-Unis et de Singapour.

Il y a plusieurs années, le même groupe du Technion a introduit ces idées en photonique, et a fait la démonstration d'un isolant topologique photonique, où la lumière se déplace autour des bords d'un réseau bidimensionnel de guides d'ondes sans être affectée par des défauts ou des désordres.

Maintenant, les chercheurs ont trouvé un moyen d'utiliser les propriétés des isolants topologiques photoniques pour construire un nouveau type de laser qui montre un comportement fondamental unique et améliore considérablement la robustesse et les performances des réseaux lasers, ouvrant la porte à un grand nombre d'applications futures.

"Ce nouveau système laser allait à l'encontre de toutes les connaissances courantes sur les isolants topologiques, " a déclaré le professeur Segev. " En bref, les propriétés de robustesse uniques des isolants topologiques étaient censées échouer lorsque le système contient du gain, comme tous les lasers doivent avoir. Mais nous avons montré que cette robustesse particulière survit dans les systèmes laser qui ont une conception spéciale ("topologique"), et est capable de rendre les lasers beaucoup plus efficaces, plus cohérent, et en même temps à l'abri de toutes sortes d'imperfections de fabrication, défauts et autres. Cela semble être une voie passionnante pour faire fonctionner ensemble des réseaux de lasers miniatures :un seul laser haute puissance hautement cohérent. »

Dans leurs recherches, les scientifiques ont construit un réseau spécial de résonateurs à micro-anneau dont le mode laser présente un transport topologiquement protégé - la lumière se propage dans une direction le long des bords du réseau laser, immunisé contre les défauts et le désordre et non affecté par la forme des bords. Ceci à son tour, comme ils l'ont démontré expérimentalement, conduit à un laser monomode très efficace qui dure bien au-dessus du seuil laser. « C'est un grand plaisir de voir la recherche fondamentale aboutir à des applications aussi profondes mais tangibles », a déclaré le professeur Christodouldies de l'UCF.

Le réseau fabriqué utilisait des matériaux semi-conducteurs standard, sans avoir besoin de champs magnétiques ou de matériaux magnéto-optiques exotiques ; par conséquent, il peut être intégré dans des dispositifs à semi-conducteurs. "Dans les années récentes, nous avons trouvé de nouvelles astuces pour manipuler la lumière d'une manière sans précédent. Ici, en utilisant des conceptions intelligentes, nous avons trompé les photons en leur donnant l'impression qu'ils subissent un champ magnétique et qu'ils ont un spin, " a déclaré le professeur Khajavikhan, l'un des principaux scientifiques de l'équipe.

Les chercheurs ont démontré que non seulement les lasers isolants topologiques sont théoriquement possibles et expérimentalement réalisables, mais que l'intégration de ces propriétés crée des lasers plus performants. En tant que tel, les résultats de l'étude ouvrent la voie à une nouvelle classe de dispositifs photoniques topologiques actifs pouvant être intégrés à des capteurs, antennes et autres dispositifs photoniques.