I ricercatori israeliani e statunitensi hanno sviluppato un nuovo, sistema laser a semiconduttore coerente e robusto ad alta efficienza:il laser isolante topologico.

I risultati sono presentati in due nuovi documenti di ricerca congiunti, uno che descrive la teoria e l'altro esperimenti, pubblicato oggi online dalla prestigiosa rivista Scienza .

Gli isolanti topologici sono una delle aree della fisica più innovative e promettenti degli ultimi anni, fornendo nuove informazioni sulla comprensione di base del trasporto protetto. Si tratta di materiali speciali che sono isolanti al loro interno ma conducono una "supercorrente" sulla loro superficie:la corrente sulla loro superficie non è affetta da difetti, spigoli vivi o disordine; continua unidirezionale senza essere disperso.

Gli studi sono stati condotti dal professor Mordechai Segev, del Technion-Israel Institute of Technology, e il suo team:Dr. Miguel A. Bandres e Gal Harari, in collaborazione con i professori Demetrios N. Christodoulides e Mercedeh Khajavikhan e i loro studenti Steffen Wittek, Midya Parto e Jinhan Ren al CREOL, Collegio di Ottica e Fotonica, Università della Florida centrale, insieme a scienziati degli Stati Uniti e di Singapore.

Diversi anni fa, lo stesso gruppo del Technion ha introdotto queste idee nella fotonica, e dimostrato un isolante topologico fotonico, dove la luce viaggia attorno ai bordi di una matrice bidimensionale di guide d'onda senza essere influenzata da difetti o disordine.

Ora, i ricercatori hanno trovato un modo per utilizzare le proprietà degli isolanti topologici fotonici per costruire un nuovo tipo di laser che mostra un comportamento fondamentale unico e migliora notevolmente la robustezza e le prestazioni degli array di laser, aprendo le porte a un vasto numero di applicazioni future.

"Questo nuovo sistema laser è andato contro tutte le conoscenze comuni sugli isolanti topologici, " ha detto il prof. Segev. "In un guscio di noce, si riteneva che le proprietà uniche di robustezza degli isolanti topologici fallissero quando il sistema contiene guadagno, come tutti i laser devono avere. Ma abbiamo dimostrato che questa robustezza speciale sopravvive nei sistemi laser che hanno un design speciale ("topologico"), ed è in grado di rendere i laser molto più efficienti, più coerente, e allo stesso tempo immune da ogni tipo di imperfezione di fabbricazione, difetti e simili. Questa sembra essere una strada entusiasmante per far funzionare insieme array di laser in miniatura come uno:un singolo laser ad alta potenza altamente coerente".

Nella loro ricerca, gli scienziati hanno costruito una serie speciale di risonatori ad anello micro la cui modalità laser mostra un trasporto topologicamente protetto:la luce si propaga in una direzione lungo i bordi della matrice laser, immune da difetti e disordine e insensibile alla forma dei bordi. Questo a sua volta, come hanno dimostrato sperimentalmente, porta a laser monomodali altamente efficienti che durano molto al di sopra della soglia laser. "È un grande piacere vedere che la ricerca fondamentale si avvia ad avere applicazioni così profonde ma tangibili", ha affermato il Prof. Christodouldies dell'UCF.

L'array fabbricato utilizzava materiali semiconduttori standard, senza la necessità di campi magnetici o materiali magneto-ottici esotici; quindi può essere integrato in dispositivi a semiconduttore. "Negli ultimi anni, abbiamo trovato nuovi trucchi per manipolare la luce in un modo senza precedenti. Qui, utilizzando progetti intelligenti, abbiamo ingannato i fotoni per farli sentire come se stessero sperimentando un campo magnetico e avessero una rotazione, " ha detto il prof. Khajavikhan, uno dei principali scienziati del team.

I ricercatori hanno dimostrato che non solo i laser isolanti topologici sono teoricamente possibili e fattibili sperimentalmente, ma che l'integrazione di queste proprietà crea laser più altamente efficienti. Come tale, i risultati dello studio aprono la strada a una nuova classe di dispositivi fotonici topologici attivi che possono essere integrati con sensori, antenne e altri dispositivi fotonici.