un, Immagine al microscopio elettronico a scansione di una cavità di cristallo fotonico topologico 2D fabbricato in una forma quadrata. Il riquadro a destra mostra un'immagine ingrandita dietro l'angolo. La barra della scala è 1 μm. La nanocavità topologica è costituita da due cristalli fotonici topologicamente distinti, che sono indicati dalle aree rosse e blu. Hanno celle unitarie diverse, come mostrato negli inserti. d e D sono le lunghezze dei quadrati nelle celle unitarie blu e rosse, in cui D =2d. B, Profilo del campo elettrico dello stato d'angolo topologico. Credito:di Weixuan Zhang, Xin Xie, Huim Hao, Jianchen Dang, Shan Xiao, Shushu Shi, Haiqiao Ni, Zhichuan Niu, Può Wang, Kuijuan Jin, Xiangdong Zhang e Xiulai Xu
Le applicazioni della fotonica topologica sono state studiate intensamente, tra cui guida d'onda unidirezionale e laser topologici. I laser topologici in particolare hanno attirato ampia attenzione negli ultimi anni, che sono stati proposti e dimostrati in vari sistemi, inclusi gli stati del bordo 1-D nei sistemi 2-D, Stati al contorno 0-D nel reticolo 1-D, e stato di massa topologico attorno ai bordi di banda. La maggior parte di questi sono su microscala. Il nanolaser topologico con un ingombro ridotto, bassa soglia e alta efficienza energetica devono ancora essere esplorate. Recentemente, un nuovo tipo di isolanti topologici di ordine superiore che hanno stati al contorno di dimensione inferiore è stato proposto e dimostrato in molti sistemi, compreso il cristallo fotonico 2-D. Nella lastra di cristallo fotonico topologico 2-D del secondo ordine, esistono gli stati del bordo 1-D con gap e lo stato dell'angolo 0-D con gap intermedio. Questo stato d'angolo localizzato fornisce una nuova piattaforma per realizzare nanolaser topologici.
In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce , un team di scienziati, guidato dal professor Xiulai Xu del Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Istituto di Fisica, Accademia cinese delle scienze, Cina, e i collaboratori hanno dimostrato un nanolaser topologico a bassa soglia in una nanocavità di cristallo fotonico topologico 2-D.
Sulla base dello stato d'angolo del secondo ordine, viene progettata e fabbricata una nanocavità topologica. Il fattore di qualità (Q) è ulteriormente ottimizzato con un massimo teorico di 50, 000. Si è dimostrato che lo stato d'angolo è robusto contro i difetti nel cristallo fotonico di massa. Si osserva un comportamento laser con bassa soglia e alto fattore di accoppiamento di emissione spontanea (β). Le prestazioni sono paragonabili a quelle dei laser a semiconduttore convenzionali, indicando la grande prospettiva in una vasta gamma di applicazioni per circuiti nanofotonici topologici.
La nanocavità topologica è costituita da due tipi di struttura a cristallo fotonico con la comune struttura a bande e diverse topologie caratterizzate dalla fase 2-D Zak. Secondo la corrispondenza bulk-edge-corner, lo stato d'angolo 0-D mid-gap può essere indotto dalla polarizzazione quantizzata del dipolo del bordo, che è altamente localizzato all'intersezione di due confini. Il Q è ottimizzato con una distribuzione spaziale più uniforme dello stato angolare regolando la distanza del gap (g) tra le lastre di cristallo fotonico banale e non banale.
un, Calcolato Q (rosso) e lunghezze d'onda (nero) dello stato d'angolo per diversi g. L'inserto mostra lo schema dell'ottimizzazione Q, in cui il cristallo fotonico topologico è allontanato dall'angolo di 2 g lungo la direzione diagonale. B, Spettri di fotoluminescenza (PL) per cavità con g. La linea tratteggiata rossa rappresenta lo stato dell'angolo. Questi picchi nella gamma di lunghezze d'onda lunghe provengono da stati di bordo. C, Spettri PL di cavità prive di difetti, che mostrano le variazioni della modalità cavità per imperfezioni di fabbricazione. D, Spettri PL di cavità con diverso numero di difetti, come mostrato nell'inserto. I numeri rappresentano il numero di fori quadrati mancanti nella maggior parte del cristallo fotonico. Qui, i fori quadrati mancanti sono diversi periodi di distanza dall'angolo. Gli spettri PL vengono spostati per chiarezza. Credito:Weixuan Zhang, Xin Xie, Huim Hao, Jianchen Dang, Shan Xiao, Shushu Shi, Haiqiao Ni, Zhichuan Niu, Può Wang, Kuijuan Jin, Xiangdong Zhang e Xiulai Xu
un, Dipendenza dalla potenza della pompa dello stato d'angolo per la cavità con a =360 nm, D =222 nm e g =30 nm, su scala logaritmica. Il riquadro mostra la curva ingrandita attorno alla soglia su una scala lineare. I quadrati rappresentano i dati sperimentali, e la linea rappresenta il risultato misurato ottenuto con il modello laser a semiconduttore. è stimato a circa 0,25. La soglia laser è di circa 1 μW. B, Larghezze di riga dello stato d'angolo in funzione della potenza della pompa. Il riquadro mostra gli spettri PL normalizzati per diverse potenze della pompa. La larghezza della riga mostra un chiaro restringimento. Le larghezze di riga e le intensità sono entrambe estratte adattando gli spettri ad alta risoluzione con le funzioni di picco di Lorentz. Credito:Weixuan Zhang, Xin Xie, Huim Hao, Jianchen Dang, Shan Xiao, Shushu Shi, Haiqiao Ni, Zhichuan Niu, Può Wang, Kuijuan Jin, Xiangdong Zhang e Xiulai Xu
Le nanocavità topologiche progettate con diversi parametri sono fabbricate in lastre di GaAs con un'alta densità di punti quantici di InGaAs. L'andamento di Q con g concorda bene con la previsione teorica, mentre i valori sono circa un ordine di grandezza inferiori alla previsione teorica a causa dell'imperfezione di fabbricazione. Sebbene la Q e la lunghezza d'onda di risonanza dello stato d'angolo siano suscettibili di disordine dietro l'angolo, lo stato d'angolo è topologicamente protetto dalle fasi Zak 2-D non banali della banda di massa e robusto contro i difetti nel cristallo fotonico di massa, che è stato dimostrato sperimentalmente.
Si osserva un comportamento laser ad alte prestazioni a 4,2 K con punti quantici come mezzo di guadagno. La soglia laser è di circa 1 μW e è di circa 0,25. Le prestazioni sono molto migliori di quelle dei laser edge topologici, in particolare la soglia che è di circa tre ordini di grandezza inferiore rispetto alla maggior parte dei laser di bordo topologici. Le elevate prestazioni derivano dal forte confinamento ottico nella cavità dovuto al volume modale ridotto e all'elevato Q.
Questo risultato ridimensiona le applicazioni della fotonica topologica in scala nanometrica, che sarà di grande importanza per lo sviluppo di circuiti nanofotonici topologici. Per di più, la nanocavità topologica può migliorare notevolmente l'interazione luce-materia, consentendo quindi lo studio dell'elettrodinamica quantistica delle cavità e le ulteriori potenziali applicazioni in dispositivi nanofotonici topologici.
