a, Imagen de microscopía electrónica de barrido de una cavidad de cristal fotónico topológico 2D fabricado en forma cuadrada. El recuadro de la derecha muestra una imagen ampliada a la vuelta de la esquina. La barra de escala es de 1 μm. La nanocavidad topológica consta de dos cristales fotónicos topológicamente distintos, que están indicados por las áreas rojas y azules. Tienen diferentes celdas unitarias, como se muestra en los recuadros. d y D son las longitudes de los cuadrados en las celdas unitarias azul y roja, en el que D =2d. B, Perfil de campo eléctrico del estado de esquina topológico. Crédito:por Weixuan Zhang, Xin Xie, Huiming Hao, Jianchen Dang, Shan Xiao, Shushu Shi, Haiqiao Ni, Zhichuan Niu, ¿Puede Wang, Kuijuan Jin, Xiangdong Zhang y Xiulai Xu
Las aplicaciones de la fotónica topológica se han investigado intensamente, incluyendo guías de ondas unidireccionales y láseres topológicos. Los láseres topológicos especialmente han atraído una amplia atención en los últimos años, que se han propuesto y demostrado en varios sistemas, incluyendo estados de borde 1-D en sistemas 2-D, Estados de frontera 0-D en celosía 1-D, y estado de volumen topológico alrededor de los bordes de la banda. La mayoría de ellos están a microescala. El nanolaser topológico con una huella pequeña, Aún no se ha explorado el umbral bajo y la alta eficiencia energética. Recientemente, Se ha propuesto y demostrado en muchos sistemas un nuevo tipo de aislantes topológicos de orden superior que tienen estados de frontera dimensionales más bajos, incluyendo cristal fotónico 2-D. En la losa de cristal fotónico topológico bidimensional de segundo orden, existen los estados de borde 1-D con espacio y el estado de esquina 0-D de espacio medio. Este estado de esquina localizado proporciona una nueva plataforma para realizar nanoláseres topológicos.
En un nuevo artículo publicado en Ciencias de la luz y aplicaciones , un equipo de científicos, dirigido por el profesor Xiulai Xu del Laboratorio Nacional de Física de la Materia Condensada de Beijing, Instituto de Física, Academia china de ciencias, Porcelana, y los colaboradores han demostrado un nanoláser topológico de bajo umbral en una nanocavidad de cristal fotónico topológico bidimensional.
Según el estado de esquina de segundo orden, se diseña y fabrica una nanocavidad topológica. El factor de calidad (Q) se optimiza aún más con un máximo teórico de 50, 000. Se ha demostrado que el estado de la esquina es robusto frente a defectos en el cristal fotónico a granel. Se observa un comportamiento láser con bajo umbral y alto factor de acoplamiento de emisión espontánea (β). El rendimiento es comparable al de los láseres semiconductores convencionales, lo que indica la gran perspectiva en una amplia gama de aplicaciones para circuitos nanofotónicos topológicos.
La nanocavidad topológica consta de dos tipos de estructura de cristal fotónico con la estructura de bandas común y diferentes topologías que se caracterizan por la fase Zak 2-D. Según la correspondencia de las esquinas de los bordes a granel, el estado de la esquina 0-D de la brecha media puede ser inducido por la polarización del dipolo de borde cuantificado, que está muy localizado en la intersección de dos límites. La Q se optimiza con una distribución espacial más suave del estado de la esquina ajustando la distancia de separación (g) entre las placas de cristal fotónico trivial y no trivial.
a, Q calculado (rojo) y longitudes de onda (negro) del estado de la esquina para diferentes g. El recuadro muestra el esquema de optimización Q, en el que el cristal fotónico topológico se aleja de la esquina 2 g a lo largo de la dirección diagonal. B, Espectros de fotoluminiscencia (PL) para cavidades con diferentes g. La línea punteada roja representa el estado de la esquina. Estos picos en el rango de longitud de onda larga se originan en estados de borde. C, Espectros PL de cavidades libres de defectos, que muestran las variaciones del modo de cavidad por imperfecciones de fabricación. D, Espectros PL de cavidades con diferente número de defectos, como se muestra en el recuadro. Los números representan el número de agujeros cuadrados que faltan en la mayor parte del cristal fotónico. Aquí, los agujeros cuadrados que faltan están a varios períodos de distancia de la esquina. Los espectros PL se desplazan para mayor claridad. Crédito:Weixuan Zhang, Xin Xie, Huiming Hao, Jianchen Dang, Shan Xiao, Shushu Shi, Haiqiao Ni, Zhichuan Niu, ¿Puede Wang, Kuijuan Jin, Xiangdong Zhang y Xiulai Xu
a, Dependencia de la potencia de la bomba del estado de la esquina para la cavidad con a =360 nm, D =222 nm yg =30 nm, en una escala logarítmica. El recuadro muestra la curva ampliada alrededor del umbral en una escala lineal. Los cuadrados representan los datos experimentales, y la línea representa el resultado ajustado obtenido con el modelo de láser semiconductor. β se estima en aproximadamente 0,25. El umbral de radiación láser es de aproximadamente 1 μW. B, Anchos de línea del estado de esquina en función de la potencia de la bomba. El recuadro muestra los espectros PL normalizados para diferentes potencias de bomba. El ancho de línea muestra un claro estrechamiento. Los anchos de línea y las intensidades se extraen ajustando los espectros de alta resolución con funciones de pico de Lorentz. Crédito:Weixuan Zhang, Xin Xie, Huiming Hao, Jianchen Dang, Shan Xiao, Shushu Shi, Haiqiao Ni, Zhichuan Niu, ¿Puede Wang, Kuijuan Jin, Xiangdong Zhang y Xiulai Xu
Las nanocavidades topológicas diseñadas con diferentes parámetros se fabrican en placas de GaAs con una alta densidad de puntos cuánticos de InGaAs. La tendencia de Q con g concuerda bien con la predicción teórica, mientras que los valores son aproximadamente un orden de magnitud más bajos que la predicción teórica debido a la imperfección de fabricación. Aunque la Q y la longitud de onda de resonancia del estado de esquina son susceptibles de desorden a la vuelta de la esquina, el estado de la esquina está protegido topológicamente por las fases Zak 2-D no triviales de la banda a granel y es resistente a los defectos en el cristal fotónico a granel, que ha sido demostrado experimentalmente.
Se observa un comportamiento láser con alto rendimiento a 4,2 K con puntos cuánticos como medio de ganancia. El umbral de radiación láser es de aproximadamente 1 μW y β es de aproximadamente 0,25. El rendimiento es mucho mejor que el de los láseres de borde topológicos, especialmente el umbral que es aproximadamente tres órdenes de magnitud más bajo que la mayoría de los láseres de borde topológicos. El alto rendimiento resulta del fuerte confinamiento óptico en la cavidad debido al volumen de modo pequeño y al alto Q.
Este resultado reduce las aplicaciones de la fotónica topológica a nanoescala, que será de gran importancia para el desarrollo de circuitos topológicos nanofotónicos. Es más, la nanocavidad topológica puede mejorar en gran medida la interacción luz-materia, por lo tanto, permite la investigación de la electrodinámica cuántica de cavidades y otras aplicaciones potenciales en dispositivos nanofotónicos topológicos.
