La fotonica topologica è alla base di un promettente paradigma per una robusta manipolazione della luce, così come la progettazione intelligente di dispositivi ottici con maggiore affidabilità e funzionalità avanzate che sono governate dalla topologia a banda non banale. Le nanostrutture realizzate con materiali dielettrici ad alto indice con elementi risonanti e disposizioni reticolari mostrano una promessa speciale per l'implementazione dell'ordine topologico per la luce su nanoscala e applicazioni ottiche su chip. I dielettrici ad alto indice come i semiconduttori III-V che possono contenere un forte guadagno ottico ulteriormente potenziato dalla localizzazione del campo topologico formano una piattaforma promettente per la nanofotonica topologica attiva.

In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazione della luce , un team di scienziati, guidato da Yuri Kivshar dell'Australian National University e dall'Hong-Gyu Park dell'Università della Corea, e i colleghi hanno implementato cavità nanofotoniche in una membrana InGaAsP nanostrutturata che incorpora pozzi quantici di semiconduttori III-V. Le nanocavità mostrano un analogo fotonico dell'effetto Hall della valle. I ricercatori hanno dimostrato il laser a bassa soglia a temperatura ambiente da una modalità cavità ospitata all'interno della banda proibita topologica della struttura.

L'immagine SEM della struttura fabbricata e i risultati sperimentali sono mostrati nell'immagine. La cavità si basa sulla parete chiusa del dominio di Hall della valle creata dall'inversione delle dimensioni sbalorditive dei nanofori in un reticolo a nido d'ape bipartito. Nella gamma di frequenze del bandgap topologico, la cavità supporta uno spettro quantizzato di modi confinati alla parete del dominio. Le immagini mostrano i profili di emissione nello spazio reale sotto e sopra la soglia.

Gli scienziati spiegano:

"Nell'esperimento, osserviamo prima l'emissione spontanea dalla cavità. Il profilo di emissione mostra l'aumento lungo l'intero perimetro della cavità triangolare associato agli stati di bordo. Quando si aumenta la potenza di una pompa, osserviamo una transizione di soglia al laser con una larghezza di linea stretta in cui l'emissione viene confinata ai tre angoli."

Quando due punti sono isolati, la coerenza dell'emissione è confermata dalle frange di interferenza osservate nei pattern di radiazione in campo lontano misurati. Un angolo isolato emette un raggio a forma di ciambella che porta una singolarità. Questi risultati fanno un passo verso sorgenti di luce ultrasottili topologicamente controllate con caratteristiche di radiazione non banali. I ricercatori prevedono:

"La proposta piattaforma completamente dielettrica promette bene per la progettazione versatile di metasuperfici topologiche attive con sorgenti luminose integrate. Tali nanocavità topologiche hanno un vasto potenziale per i progressi nella nanofotonica non lineare, nanolasing a bassa potenza ed elettrodinamica quantistica delle cavità."