Новый лазер излучает более стабильный, энергоэффективный световой пучок

Новый тип лазера моделируется из экзотического класса материалов, называемых топологическими изоляторами. И он оказался более надежным и энергоэффективным, чем его обычные аналоги, прокладывая путь для возможного использования в квантовой коммуникации и электронике следующего поколения.

Устройство, описанное в Science, состоит из сетки полупроводниковых колец, которые преобразуют энергию в частицы света. Затем устройство направляет эти фотоны в одном направлении вокруг сетки до тех пор, пока они не будут выбрасываться в виде луча.

Конструкция заимствована из концепции топологических изоляторов — своего рода материала, который блокирует электрический ток через его внутреннюю часть, но позволяет спускаться электронам по его поверхности. Ученые разработали устройства, которые аналогичным образом управляют звуковыми волнами вдоль их краев, но исследователи задались вопросом, может ли такой же вид управления воздействовать на светлые частицы, генерируемые внутри лазеров.

Чтобы включить лазер, исследователи подают свет или электрическую энергию в внешние кольца сетки, которые преобразуют эту энергию в свет лазера. Кольца соединены вместе петлями в форме ипподрома, точно расположенными для управления этими легкими частицами по односторонней траектории. Хотя только внешние кольца передают лазерный свет, необходима вся сетка колец, чтобы помочь вести фотоны, говорит Боубакар Канте, инженер по электротехнике и вычислительной технике в Калифорнийском университете в Сан-Диего.

Свет вдоль внешнего края сетки в одном направлении делает лазер более защищенным от ошибок при изготовлении или неисправностей, которые могут нанести ущерб другим лазерам, — говорит соавтор исследования Мордехай Сегев, ученый из Израильского технологического института в Хайфе. Если фотоны сталкиваются с дефектом, подобно отсутствующему кольцу, это приведет к отбросу энергии. Вместо этого фотоны вынуждены обойти препятствие и продолжить.

Эти надежные лазеры могут использоваться для отправки информации в квантовой сети, говорит Ли Ге, физик из Городского университета Нью-Йорка, не участвующий в работе. И физик Александр Ханикаев, также в Городском университете Нью-Йорка, предлагает, чтобы новые лазеры могли также использоваться для создания лучших оптических схем. Эти схемы, которые передают информацию через свет, а не электричество, могут помочь сделать более быструю и эффективную электронику.

Больше информации: G. Harari et al. Topological insulator laser: Theory. Science. Published online February 1, 2018. doi: 10.1126/science.aar4003.