Scientifiques et ingénieurs de l'Université technologique de Nanyang, Singapour (NTU Singapore) et l'Université de Leeds au Royaume-Uni ont créé le premier laser topologique à commande électrique, qui a la capacité d'acheminer les particules légères dans les coins et de faire face aux défauts de fabrication de l'appareil.

Les lasers à semi-conducteurs à commande électrique sont le type de dispositif laser le plus courant aujourd'hui. Ils sont utilisés dans des produits tels que les lecteurs de codes-barres et les imprimantes laser, pour les communications par fibre optique, et dans les applications émergentes telles que les capteurs de télémétrie laser pour les voitures autonomes.

Cependant, leur fabrication est un processus exigeant, et les conceptions laser actuelles ne fonctionnent pas bien si des défauts sont introduits dans la structure du laser au cours de ces processus.

Le Singapour-Royaume-Uni avance signalée dans La nature surmonte ce problème de longue date et promet de conduire à une fabrication plus efficace et moins coûteuse en utilisant les technologies de semi-conducteurs existantes. Ceci est accompli en exploitant un concept de la physique théorique connu sous le nom d'états topologiques afin de fabriquer un laser topologique.

Dans les années 1980, les scientifiques ont découvert que les électrons circulant dans certains matériaux ont des caractéristiques topologiques, ce qui signifie qu'ils peuvent s'écouler dans les coins ou les imperfections sans se disperser ni fuir. Le prix Nobel de physique 2016 a été décerné à trois physiciens théoriciens pionniers de l'étude de tels états topologiques des électrons.

Maintenant, une équipe interdisciplinaire d'ingénieurs et de physiciens de NTU Singapore en collaboration avec des scientifiques des matériaux de l'Université de Leeds, ont appliqué cette approche topologique aux particules légères, connu sous le nom de photons.

« Chaque lot d'appareils laser fabriqués contient une fraction qui n'émet pas de lumière laser en raison des imperfections introduites lors de la fabrication et de l'emballage, " a déclaré le professeur Qi Jie Wang, le scientifique principal de l'école de génie électrique et électronique de NTU Singapore. "C'était l'une de nos motivations pour explorer les états topologiques de la lumière, qui sont beaucoup plus robustes que les ondes lumineuses ordinaires."

Dans la présente étude, les chercheurs ont travaillé avec un type de laser à commande électrique appelé laser à cascade quantique, basé sur des plaquettes semi-conductrices avancées développées à l'Université de Leeds.

Un auteur principal de l'étude, Professeur Giles Davies FREng, pro-doyen à la recherche et à l'innovation à la Faculté d'ingénierie et des sciences physiques de l'Université de Leeds, mentionné, "Le laser topologique est un excellent exemple d'un phénomène scientifique fondamental fascinant appliqué à un appareil électronique pratique, et comme le montre notre étude, il a le potentiel d'améliorer les performances des systèmes laser."

Pour obtenir des états topologiques sur une plate-forme laser, l'équipe de NTU et de Leeds a développé un nouveau design contenant un cristal photonique de vallée, qui a été inspiré par des matériaux topologiques électroniques connus sous le nom d'isolateurs valleytronic à deux dimensions.

La conception se compose de trous hexagonaux disposés dans un réseau triangulaire, gravé dans une plaquette semi-conductrice, ce qui le rend extrêmement compact.

Au sein de la microstructure, les états topologiques de la lumière circulent au sein d'une boucle triangulaire de 1,2 millimètre de circonférence, agissant comme un résonateur optique pour accumuler l'énergie lumineuse nécessaire à la formation d'un faisceau laser.

"Le fait que la lumière circule dans cette boucle, y compris le contournement des angles vifs du triangle, est due aux particularités des états topologiques, " déclare le professeur agrégé Yi Dong Chong, un physicien théoricien à NTU Singapore et co-investigateur principal du projet. "Les ondes lumineuses ordinaires seraient perturbées par les angles vifs, les empêchant de circuler en douceur."

Les chercheurs notent qu'une caractéristique intéressante du nouveau laser à cascade quantique topologique est que la lumière qu'il émet est à des fréquences térahertz entre les régions micro-ondes et infrarouge du spectre électromagnétique. La lumière térahertz a été identifiée comme l'un des principaux domaines à partir desquels les futures applications technologiques en matière de détection, éclairage, et les communications sans fil peuvent émerger.

Ce projet de recherche a duré deux ans, et impliquait une équipe interdisciplinaire de douze chercheurs. Les membres de l'équipe comprennent également des physiciens de la NTU :le professeur agrégé Baile Zhang, chercheur postdoctoral et premier auteur de l'article, Dr Yongquan Zeng; ainsi que le professeur Edmund Linfield, Professeur d'électronique térahertz, et le Dr Lianhe Li, Chercheur principal, tous deux à Leeds.

Regarder vers l'avant, l'équipe commune travaille sur des lasers utilisant d'autres types d'états topologiques.

"Le design que nous avons utilisé dans ce projet, appelé cristal photonique de vallée, n'est pas le seul moyen de créer des états topologiques, " a déclaré le professeur Wang. " Il existe de nombreux types d'états topologiques, conférant une protection contre différents types d'imperfections. Nous pensons qu'il sera possible d'adapter la conception aux besoins des différents appareils et applications."

En 2018, une équipe du Technion-Israel Institute of Technology et de l'Université de Floride centrale aux États-Unis a développé un laser topologique fabriqué à partir d'un réseau de résonateurs optiques connectés. Les chercheurs ont montré que les états topologiques de la lumière pouvaient se déplacer efficacement autour des coins et des défauts du réseau laser. Cependant, ce prototype de laser avait l'inconvénient d'être beaucoup plus gros que la plupart des lasers à semi-conducteurs, en plus d'être à commande optique, ce qui signifie qu'il était alimenté par un autre laser.