Scienziati e ingegneri della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) e l'Università di Leeds nel Regno Unito hanno creato il primo laser topologico ad azionamento elettrico, che ha la capacità di instradare le particelle di luce intorno agli angoli e di far fronte ai difetti nella fabbricazione del dispositivo.

I laser a semiconduttore ad azionamento elettrico sono oggi il tipo più comune di dispositivo laser. Sono utilizzati in prodotti come lettori di codici a barre e stampanti laser, per comunicazioni in fibra ottica, e nelle applicazioni emergenti come i sensori di raggio laser per le auto a guida autonoma.

Però, la loro fabbricazione è un processo impegnativo, e gli attuali progetti laser non funzionano bene se durante questi processi vengono introdotti difetti nella struttura del laser.

Il Singapore-Regno Unito anticipo segnalato in Natura supera questo problema di vecchia data e promette di portare a una produzione più efficiente e meno dispendiosa utilizzando le tecnologie dei semiconduttori esistenti. Ciò si ottiene sfruttando un concetto della fisica teorica noto come stati topologici per creare un laser topologico.

Negli anni '80, gli scienziati hanno scoperto che gli elettroni che fluiscono in alcuni materiali hanno caratteristiche topologiche, il che significa che possono scorrere intorno agli angoli o alle imperfezioni senza disperdersi o perdere. Il Premio Nobel per la Fisica 2016 è stato assegnato a tre fisici teorici che hanno aperto la strada allo studio di tali stati topologici degli elettroni.

Ora, un team interdisciplinare di ingegneri e fisici di NTU Singapore in collaborazione con scienziati dei materiali dell'Università di Leeds, hanno applicato questo approccio topologico alle particelle leggere, noti come fotoni.

"Ogni lotto di dispositivo laser prodotto ha una parte che non riesce a emettere luce laser a causa di imperfezioni introdotte durante la fabbricazione e l'imballaggio, " ha detto il professor Qi Jie Wang, lo scienziato capo della School of Electrical and Electronic Engineering di NTU Singapore. "Questa è stata una delle nostre motivazioni per esplorare gli stati topologici della luce, che sono molto più robuste delle normali onde luminose."

In questo studio, i ricercatori hanno lavorato con un tipo di laser azionato elettricamente chiamato laser a cascata quantica, basato su wafer semiconduttori avanzati sviluppati presso l'Università di Leeds.

Un autore senior dello studio, Professor Giles Davies FREng, pro-dean per la ricerca e l'innovazione presso la Facoltà di Ingegneria e Scienze Fisiche dell'Università di Leeds, disse, "Il laser topologico è un ottimo esempio di un affascinante fenomeno scientifico fondamentale applicato a un pratico dispositivo elettronico, e come dimostra il nostro studio, ha il potenziale per migliorare le prestazioni dei sistemi laser."

Per ottenere stati topologici su una piattaforma laser, il team di NTU e Leeds ha sviluppato un nuovo design contenente un cristallo fotonico di valle, che è stato ispirato da materiali topologici elettronici noti come isolanti bidimensionali valleytronic.

Il design è costituito da fori esagonali disposti in un reticolo triangolare, inciso in un wafer a semiconduttore, rendendolo estremamente compatto.

All'interno della microstruttura, gli stati topologici della luce circolano all'interno di un anello triangolare di 1,2 millimetri di circonferenza, fungendo da risonatore ottico per accumulare l'energia luminosa necessaria per formare un raggio laser.

"Il fatto che la luce circoli in questo ciclo, compreso aggirare gli angoli acuti del triangolo, è dovuto alle caratteristiche speciali degli stati topologici, "dice il Professore Associato Yi Dong Chong, fisico teorico presso NTU Singapore e co-lead investigator del progetto. "Le normali onde luminose sarebbero interrotte dagli angoli acuti, impedendo loro di circolare senza intoppi".

I ricercatori notano che una caratteristica interessante del nuovo laser topologico a cascata quantistica è che la luce che emette è a frequenze terahertz tra le regioni delle microonde e dell'infrarosso dello spettro elettromagnetico. La luce Terahertz è stata identificata come uno dei principali ambiti da cui le future applicazioni tecnologiche nel rilevamento, illuminazione, e potrebbero emergere comunicazioni wireless.

Questo progetto di ricerca è durato due anni, e ha coinvolto un team interdisciplinare di dodici ricercatori. I membri del team includono anche fisici NTU:Professore Associato Baile Zhang, assegnista di ricerca post-dottorato e primo autore del documento, il dottor Yongquan Zeng; così come il professor Edmund Linfield, Professore di Elettronica Terahertz, e la dottoressa Lianhe Li, Assegnista di ricerca senior, entrambi a Leeds.

Guardando avanti, il team congiunto sta lavorando su laser che utilizzano altri tipi di stati topologici.

"Il design che abbiamo usato in questo progetto, chiamato cristallo fotonico di valle, non è l'unico modo per creare stati topologici, "Il professor Wang ha detto. "Ci sono molti diversi tipi di stati topologici, impartendo protezione contro diversi tipi di imperfezioni. Riteniamo che sarà possibile adattare il design alle esigenze di diversi dispositivi e applicazioni".

Nel 2018, un team del Technion-Israel Institute of Technology e dell'Università della Florida centrale negli Stati Uniti ha sviluppato un laser topologico costituito da una serie di risonatori ottici collegati. I ricercatori hanno dimostrato che gli stati topologici della luce possono viaggiare in modo efficiente intorno agli angoli e ai difetti nell'array laser. Però, questo prototipo di laser aveva lo svantaggio di essere molto più grande della maggior parte dei laser a semiconduttore, oltre ad essere otticamente guidato, il che significa che era alimentato da un altro laser.