Científicos e ingenieros de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) y la Universidad de Leeds en el Reino Unido han creado el primer láser topológico accionado eléctricamente, que tiene la capacidad de dirigir partículas de luz alrededor de las esquinas y hacer frente a los defectos en la fabricación del dispositivo.

Los láseres semiconductores accionados eléctricamente son el tipo de dispositivo láser más común en la actualidad. Se utilizan en productos como lectores de códigos de barras e impresoras láser, para comunicaciones por fibra óptica, y en aplicaciones emergentes como sensores de rango láser para automóviles autónomos.

Sin embargo, su fabricación es un proceso riguroso, y los diseños de láser actuales no funcionan bien si se introducen defectos en la estructura del láser durante estos procesos.

El Singapur-Reino Unido. avance informado en Naturaleza supera este problema de larga data y promete conducir a una fabricación más eficiente y menos derrochadora utilizando tecnologías de semiconductores existentes. Esto se logra aprovechando un concepto de la física teórica conocido como estados topológicos para hacer un láser topológico.

En la década de 1980, Los científicos encontraron que los electrones que fluyen en ciertos materiales tienen características topológicas, lo que significa que pueden fluir alrededor de esquinas o imperfecciones sin esparcirse o gotear. El Premio Nobel de Física de 2016 se otorgó a tres físicos teóricos que fueron pioneros en el estudio de dichos estados topológicos de los electrones.

Ahora, un equipo interdisciplinario de ingenieros y físicos de NTU Singapur en colaboración con científicos de materiales de la Universidad de Leeds, han aplicado este enfoque topológico a las partículas de luz, conocidos como fotones.

"Cada lote de dispositivo láser fabricado tiene una fracción que no emite luz láser debido a las imperfecciones introducidas durante la fabricación y el empaque, "dijo el profesor Qi Jie Wang, el científico principal de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de NTU Singapur. "Esta fue una de nuestras motivaciones para explorar los estados topológicos de la luz, que son mucho más robustas que las ondas de luz ordinarias ".

En el presente estudio, los investigadores trabajaron con un tipo de láser impulsado eléctricamente llamado láser de cascada cuántica, basado en obleas semiconductoras avanzadas desarrolladas en la Universidad de Leeds.

Un autor principal del estudio, Profesor Giles Davies FREng, prodecano de investigación e innovación en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Físicas de la Universidad de Leeds, dijo, "El láser topológico es un gran ejemplo de un fascinante fenómeno científico fundamental que se aplica a un dispositivo electrónico práctico, y como muestra nuestro estudio, tiene el potencial de mejorar el rendimiento de los sistemas láser ".

Para lograr estados topológicos en una plataforma láser, El equipo de NTU y Leeds desarrolló un nuevo diseño que contiene un cristal fotónico de valle, que se inspiró en materiales topológicos electrónicos conocidos como aisladores valleytronic bidimensionales.

El diseño consta de agujeros hexagonales dispuestos en una celosía triangular, grabado en una oblea semiconductora, haciéndolo extremadamente compacto.

Dentro de la microestructura, los estados topológicos de la luz circulan dentro de un bucle triangular de 1,2 milímetros de circunferencia, actuando como un resonador óptico para acumular la energía luminosa necesaria para formar un rayo láser.

"El hecho de que la luz circule en este bucle, incluyendo rodear las esquinas afiladas del triángulo, se debe a las características especiales de los estados topológicos, "dice el profesor asociado Yi Dong Chong, físico teórico en NTU Singapur y co-investigador principal del proyecto. "Las ondas de luz ordinarias se verían interrumpidas por las esquinas afiladas, impidiendo que circulen sin problemas ".

Los investigadores señalan que una característica interesante del nuevo láser de cascada cuántica topológica es que la luz que emite se encuentra en frecuencias de terahercios entre las regiones de microondas e infrarrojos del espectro electromagnético. La luz de terahercios ha sido identificada como uno de los principales dominios a partir del cual las futuras aplicaciones tecnológicas en la detección, iluminación, y pueden surgir comunicaciones inalámbricas.

Este proyecto de investigación duró dos años, e involucró a un equipo interdisciplinario de doce investigadores. Los miembros del equipo también incluyen físicos de la NTU:el profesor asociado Baile Zhang, becario de investigación postdoctoral y primer autor del artículo, Dr. Yongquan Zeng; así como el profesor Edmund Linfield, Profesor de Electrónica Terahertz, y la Dra. Lianhe Li, Compañero experimentado de investigación, ambos en Leeds.

Mirando hacia el futuro, el equipo conjunto está trabajando en láseres que utilizan otros tipos de estados topológicos.

"El diseño que usamos en este proyecto, llamado cristal fotónico de valle, no es la única forma de crear estados topológicos, "El profesor Wang dijo." Hay muchos tipos diferentes de estados topológicos, impartiendo protección contra diferentes tipos de imperfecciones. Creemos que será posible adaptar el diseño a las necesidades de diferentes dispositivos y aplicaciones ".

En 2018, un equipo del Technion — Instituto de Tecnología de Israel y la Universidad de Florida Central en los Estados Unidos desarrolló un láser topológico hecho de una serie de resonadores ópticos conectados. Los investigadores demostraron que los estados topológicos de la luz podían viajar de manera eficiente alrededor de las esquinas y defectos en la matriz láser. Sin embargo, este prototipo de láser tenía el inconveniente de ser mucho más grande que la mayoría de los láseres semiconductores, además de estar impulsado ópticamente, lo que significa que fue impulsado por otro láser.