世界初の電動「トポロジー」レーザーが誕生しました！ 他のレーザーを圧倒するという利点があります

シンガポールの南洋理工大学とイギリスのリーズ大学の科学者とエンジニアは、光粒子を角に沿ってルーティングし、機器製造の欠陥に対処できる最初の電気駆動トポロジカルレーザーを発明しました。 電気駆動半導体レーザーは、今日最も一般的なレーザーデバイスであり、バーコードリーダーやレーザープリンターなどの製品、光ファイバ通信、および自律型車両用のレーザー測距センサーなどの新しいアプリケーションに使用されています。 ただし、製造は厳密なプロセスであり、これらのプロセス中にレーザーの構造に欠陥が導入されると、現在のレーザー設計はうまく機能しません。

Nature誌に新たに発表された研究では、南洋理工大学とリーズ大学の科学研究の進歩がこの長年の問題を克服し、既存の半導体技術を使用して効率を高め、無駄を減らすことができます。これは、理論物理学で「トポロジカル状態」と呼ばれる概念を使用してトポロジカルレーザーを製造することによって実現されます。

1980年代に、科学者たちは、特定の材料を流れる電子がトポロジカルな特性を持っていることを発見しました。つまり、散乱や漏れなしにコーナーや欠陥の周りを流れることができます。 2016年、電子の位相状態に関する先駆的な研究により、3人の理論物理学者にノーベル物理学賞が授与されました。現在、シンガポールのナンタ大学のエンジニアと物理学者の学際的なチームは、リーズ大学の材料科学者と協力して、光子として知られる光粒子にこのトポロジー的アプローチを適用しています。



南洋理工大学電気電子工学部の王Qijie教授は、次のように述べています。製造されたレーザー機器のすべてのバッチには、製造およびパッケージングプロセスで導入された欠陥のためにレーザーを放射できない部品があります。これはその1つです。レーザーのトポロジー状態を探求する動機。、レーザーのトポロジー状態は通常の光波よりもはるかに安定しています。現在の研究では、研究者たちは、リーズ大学によって開発された高度な半導体ウェーハに基づいた、量子カスケードレーザーと呼ばれる電気駆動レーザーを使用しました。



研究の上級著者であり、リーズ大学の工学物理科学部の研究と革新の副学部長であるGiles Davis Frein教授は、次のように述べています。トポロジカルレーザーは、魅力的な基本的な科学現象の良い例への応用です。研究が示しているように、実際の電子機器の場合、レーザーシステムの性能を向上させる可能性があります。レーザープラットフォームでトポロジカル状態を実現するために、研究チームは、2次元バレー電子絶縁体と呼ばれる電子トポロジカル材料に触発されたバレーフォトニック結晶を含む新しい設計を開発しました。このデザインは、三角形の格子に配置された六角形の穴で構成され、半導体ウェーハにエッチングされており、非常に小型になっています。



微細構造では、レーザーのトポロジー状態が円周1.2mmの三角形のリングを循環し、光共振器として機能し、レーザービームの形成に必要な光エネルギーを蓄積します。シンガポール国立大学の理論物理学者であり、プロジェクトの共同主任研究者であるYi Dongchong准教授は、次のように述べています。光は、三角形の鋭い角を含め、このループ内を循環します。これは、地形の特殊な特性によるものです。状態になり、通常の光波がシャープになります。コーナー干渉によりスムーズなループができなくなります。研究者たちは、新しいトポロジカル量子カスケードレーザーの興味深い特徴は、それが放出する光が、電磁スペクトルのマイクロ波領域と赤外線領域の間のテラヘルツ周波数であることであると指摘しました。



テラヘルツ光は、将来、センシング、照明、無線通信に登場する可能性のあるテクノロジーアプリケーションの主要分野の1つとして認識されています。この研究プロジェクトは2年間続き、12人の研究者からなる学際的なチームが参加しました。チームメンバーには、国立台湾大学の物理学者であるZhang Bole准教授（ポスドク研究員であり、論文の筆頭著者）、Edmund Linfield教授、リーズ大学のTerahertz Electronics教授、LianheLi上級研究員も含まれます。

将来を見据えて、合同チームは他のタイプのトポロジーレーザーの使用を研究しています。このプロジェクトで使用されている谷フォトニック結晶と呼ばれる設計は、トポロジカル状態を作成する唯一の方法ではありません。さまざまな種類の欠陥に対する保護を提供するさまざまな種類のトポロジー状態があります。研究者は、さまざまな機器やアプリケーションの要件に応じて設計を調整することも可能であると考えています。



2018年、テクニオンイスラエル工科大学とセントラルフロリダ大学のチームが、一連の接続された光共振器で作られたトポロジカルレーザーを開発しました。研究によると、レーザーのトポロジー状態は、レーザーアレイの角や欠陥の周りに効果的に伝播する可能性があります。ただし、このプロトタイプレーザーの欠点は、ほとんどの半導体レーザーよりもはるかに大きく、光学的に駆動されるため、別のレーザーで駆動されます。