Ricercatori israeliani e tedeschi hanno sviluppato un modo per forzare una serie di laser a cavità verticale ad agire insieme come un singolo laser, una rete laser altamente efficace delle dimensioni di un granello di sabbia. I risultati sono presentati in un nuovo documento di ricerca congiunto pubblicato online dalla prestigiosa rivista Scienza di venerdì, 24 settembre.

Telefono cellulare, i sensori per auto o la trasmissione di dati nelle reti in fibra ottica utilizzano tutti i cosiddetti laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL), laser a semiconduttore saldamente ancorati alla nostra tecnologia quotidiana. Sebbene ampiamente utilizzato, il dispositivo VCSEL ha dimensioni minuscole di pochi micron, che fissa un limite rigoroso alla potenza di uscita che può generare. Per anni, gli scienziati hanno cercato di aumentare la potenza emessa da tali dispositivi combinando molti piccoli VCSEL e costringendoli ad agire come un singolo laser coerente, ma ebbe un successo limitato. L'attuale innovazione utilizza uno schema diverso:impiega una disposizione geometrica unica di VCSEL sul chip che costringe il volo a fluire in un percorso specifico:una piattaforma isolante topologica fotonica.

Dagli isolanti topologici ai laser topologici

Gli isolanti topologici sono materiali quantistici rivoluzionari che isolano all'interno ma conducono elettricità sulla loro superficie, senza perdite. Diversi anni fa, il gruppo Technion guidato dal Prof. Mordechai Segev ha introdotto queste idee innovative nella fotonica, e ha dimostrato il primo 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. Questo ha aperto un nuovo campo, ora noto come "Fotonica Topologica, " dove centinaia di gruppi hanno attualmente una ricerca attiva. Nel 2018, lo stesso gruppo ha anche trovato un modo per utilizzare le proprietà degli isolanti topologici fotonici per costringere molti laser a micro-anello a bloccarsi insieme e agire come un singolo laser. Ma quel sistema aveva ancora un grosso collo di bottiglia:la luce circolava nel chip fotonico confinato sullo stesso piano utilizzato per estrarre la luce. Ciò significava che l'intero sistema era nuovamente soggetto a un limite di potenza, imposto dal dispositivo utilizzato per far uscire la luce, come avere un'unica presa per un'intera centrale elettrica. L'attuale svolta utilizza uno schema diverso:i laser sono costretti a bloccarsi all'interno del chip planare, ma la luce viene ora emessa attraverso la superficie del chip da ogni minuscolo laser e può essere facilmente raccolta.

Circostanze e partecipanti

Questo progetto di ricerca tedesco-israeliano è nato principalmente durante la pandemia di Corona. Senza l'enorme impegno dei ricercatori coinvolti, questo traguardo scientifico non sarebbe stato possibile. La ricerca è stata condotta dal Ph.D. lo studente Alex Dikopoltsev del team del distinto professor Mordechai Segev, del Dipartimento di Fisica e del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica del Technion-Israel Institute of Technology, e dottorato di ricerca lo studente Tristan H. Harder del team del Prof. Sebastian Klembt e del Prof. Sven Höfling presso la Cattedra di Fisica Applicata presso l'Università di Würzburg, e il Cluster of Excellence ct.qmat—Complessità e topologia nella materia quantistica, in collaborazione con ricercatori di Jena e Oldenburg. La fabbricazione del dispositivo ha sfruttato le eccellenti strutture della camera bianca presso l'Università di Würzburg.

La lunga strada verso nuovi laser topologici

"È affascinante vedere come si evolve la scienza, " ha affermato il prof. Segev del Technion. "Siamo passati dai concetti fondamentali della fisica ai cambiamenti fondamentali in essi, e ora alla vera tecnologia che ora viene perseguita dalle aziende. Già nel 2015, quando abbiamo iniziato a lavorare sui laser isolanti topologici, nessuno credeva che fosse possibile, perché i concetti topologici conosciuti a quel tempo erano limitati a sistemi che non lo fanno, infatti—non può—avere guadagno. Ma tutti i laser richiedono guadagno. Quindi i laser isolanti topologici si sono opposti a tutto ciò che era noto a quel tempo. Eravamo come un gruppo di pazzi alla ricerca di qualcosa che era considerato impossibile. E ora abbiamo fatto un grande passo avanti verso una tecnologia reale che ha molte applicazioni".

Il team israeliano e tedesco ha utilizzato i concetti di fotonica topologica con VCSEL che emettono la luce verticalmente, mentre il processo topologico responsabile della mutua coerenza e del bloccaggio dei VCSEL avviene nel piano del chip. Il risultato finale è un laser potente ma molto compatto ed efficiente, non limitato da un numero di emettitori VCSEL, e indisturbato da difetti o alterazione delle temperature.

"Il principio topologico di questo laser può generalmente funzionare per tutte le lunghezze d'onda e quindi una gamma di materiali, " spiega il capo progetto tedesco Prof. Sebastian Klembt dell'Università di Würzburg, lavorando sull'interazione luce-materia e sulla fotonica topologica all'interno del Cluster of Excellence ct.qmat. "Il numero esatto di microlaser che devono essere disposti e collegati dipenderà sempre interamente dall'applicazione. Possiamo espandere le dimensioni della rete laser a dimensioni molto grandi, e in linea di principio rimarrà coerente anche per i grandi numeri. È bello vedere che la topologia, originariamente una branca della matematica, è emerso come una nuova cassetta degli attrezzi rivoluzionaria per il controllo, guidando e migliorando le proprietà del laser."

La ricerca innovativa ha dimostrato che è infatti teoricamente e sperimentalmente possibile combinare i VCSEL per ottenere un laser più robusto e altamente efficiente. Come tale, i risultati dello studio aprono la strada alle applicazioni di numerose tecnologie future come i dispositivi medici, comunicazioni, e una varietà di applicazioni del mondo reale.