Image au microscope électronique à balayage de l'échantillon fabriqué. Le triangle en fausses couleurs marque l'intérieur de la cavité topologique. b Énergie d'émission par rapport à la dépendance énergétique de la pompe montrant un seuil de transition vers le laser. L'échantillon est pompé optiquement à une longueur d'onde de 980 nm avec des impulsions de 8 ns à une fréquence de répétition de 10 kHz. c, d Distribution spatiale des émissions pour l'intensité de pompage (c) inférieure et (d) supérieure au seuil d'émission. Crédit :Daria Smirnova, Aditya Tripathi, Sergueï Kruk, Min-Soo Hwang, Ha-Reem Kim, Parc Hong-Gyu, et Youri Kivshar
La photonique topologique sous-tend un paradigme prometteur pour la manipulation robuste de la lumière, ainsi qu'une conception intelligente de dispositifs optiques avec une fiabilité améliorée et des fonctionnalités avancées régies par la topologie de bande non triviale. Les nanostructures constituées de matériaux diélectriques à indice élevé avec des éléments résonnants et des dispositions en treillis sont particulièrement prometteuses pour la mise en œuvre de l'ordre topologique de la lumière à l'échelle nanométrique et des applications optiques sur puce. Les diélectriques à indice élevé tels que les semi-conducteurs III-V qui peuvent contenir un fort gain optique encore amélioré par la localisation du champ topologique constituent une plate-forme prometteuse pour la nanophotonique topologique active.
Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et application , une équipe de scientifiques, dirigé par Yuri Kivshar de l'Université nationale australienne et Hong-Gyu Park de l'Université de Corée, et ses collègues ont mis en œuvre des cavités nanophotoniques dans une membrane InGaAsP à nanomotifs incorporant des puits quantiques semi-conducteurs III-V. Les nanocavités présentent un analogue photonique de l'effet Hall de vallée. Les chercheurs ont démontré un effet laser à faible seuil à température ambiante à partir d'un mode de cavité hébergé dans la bande interdite topologique de la structure.
L'image SEM de la structure fabriquée et les résultats expérimentaux sont montrés dans l'image. La cavité est basée sur la paroi de domaine Hall à vallée fermée créée par l'inversion de tailles de nanotrous échelonnées dans un réseau en nid d'abeilles bipartite. Dans la gamme de fréquences de bande interdite topologique, la cavité supporte un spectre quantifié de modes confinés à la paroi du domaine. Les images montrent des profils d'émission dans l'espace réel au-dessous et au-dessus du seuil.
Les scientifiques expliquent :
« En expérimentation, on observe d'abord l'émission spontanée de la cavité. Le profil d'émission montre le rehaussement sur tout le périmètre de la cavité triangulaire associé aux états de bord. Lors de l'augmentation de la puissance de la pompe, nous observons une transition de seuil vers le laser avec une largeur de raie étroite où l'émission est confinée aux trois coins."
Lorsque deux taches sont isolées, la cohérence de l'émission est confirmée par les franges d'interférence observées dans les diagrammes de rayonnement mesurés en champ lointain. Un coin isolé émet un faisceau en forme de beignet porteur d'une singularité. Ces découvertes font un pas en avant pour les sources de lumière ultrafines à contrôle topologique avec des caractéristiques de rayonnement non négligeables. Les chercheurs prévoient :
« La plate-forme entièrement diélectrique proposée est prometteuse pour la conception polyvalente de métasurfaces topologiques actives avec des sources lumineuses intégrées. De telles nanocavités topologiques ont un vaste potentiel de progrès dans la nanophotonique non linéaire, nanolasing de faible puissance et électrodynamique quantique de cavité."
