Investigadores israelíes y alemanes han desarrollado una forma de obligar a una serie de láseres de cavidad vertical a actuar juntos como un solo láser:una red de láser altamente eficaz del tamaño de un grano de arena. Los hallazgos se presentan en un nuevo artículo de investigación conjunto publicado en línea por la prestigiosa revista Ciencias el viernes, 24 de septiembre.

Celulares, Los sensores de automóviles o la transmisión de datos en redes de fibra óptica utilizan los llamados láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL), láseres de semiconductores que están firmemente anclados en nuestra tecnología cotidiana. Aunque ampliamente utilizado, el dispositivo VCSEL tiene un tamaño minúsculo de solo unas pocas micras, que establece un límite estricto en la potencia de salida que puede generar. Durante años, Los científicos han tratado de mejorar la potencia emitida por tales dispositivos mediante la combinación de muchos VCSEL diminutos y obligándolos a actuar como un único láser coherente. pero tuvo un éxito limitado. El avance actual utiliza un esquema diferente:emplea una disposición geométrica única de VCSEL en el chip que obliga al vuelo a fluir en una ruta específica:una plataforma aislante topológica fotónica.

De aisladores topológicos a láseres topológicos

Los aislantes topológicos son materiales cuánticos revolucionarios que aíslan en el interior pero conducen la electricidad en su superficie, sin pérdidas. Muchos años atrás, el grupo Technion dirigido por el profesor Mordechai Segev ha introducido estas ideas innovadoras en la fotónica, y demostró el primer aislante topológico fotónico, donde la luz viaja alrededor de los bordes de una matriz bidimensional de guías de ondas sin verse afectada por defectos o desórdenes. Esto abrió un nuevo campo, ahora conocido como "Fotónica topológica, "donde cientos de grupos realizan actualmente investigaciones activas. En 2018, el mismo grupo también encontró una manera de utilizar las propiedades de los aislantes topológicos fotónicos para obligar a muchos láseres de microanillo a bloquearse y actuar como un solo láser. Pero ese sistema todavía tenía un cuello de botella importante:la luz circulaba en el chip fotónico confinado al mismo plano utilizado para extraer la luz. Eso significaba que todo el sistema estaba nuevamente sujeto a un límite de potencia, impuesto por el dispositivo utilizado para apagar la luz, similar a tener un solo enchufe para toda una planta de energía. El avance actual utiliza un esquema diferente:los láseres se ven obligados a bloquearse dentro del chip planar, pero la luz ahora se emite a través de la superficie del chip desde cada pequeño láser y se puede recolectar fácilmente.

Circunstancias y participantes

Este proyecto de investigación germano-israelí se originó principalmente durante la pandemia de Corona. Sin el enorme compromiso de los investigadores involucrados, este hito científico no habría sido posible. La investigación fue realizada por Ph.D. estudiante Alex Dikopoltsev del equipo del distinguido profesor Mordechai Segev, del Departamento de Física y del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática del Technion — Instituto de Tecnología de Israel, y Ph.D. el estudiante Tristan H. Harder del equipo del Prof. Sebastian Klembt y el Prof. Sven Höfling en la Cátedra de Física Aplicada de la Universidad de Würzburg, y el Cluster of Excellence ct.qmat — Complejidad y topología en materia cuántica, en colaboración con investigadores de Jena y Oldenburg. La fabricación del dispositivo aprovechó las excelentes instalaciones de sala limpia de la Universidad de Würzburg.

El largo camino hacia nuevos láseres topológicos

"Es fascinante ver cómo evoluciona la ciencia, ", dijo el profesor Segev del Technion." Pasamos de los conceptos fundamentales de la física a los cambios fundamentales en los mismos, y ahora a la tecnología real que ahora buscan las empresas. En 2015, cuando empezamos a trabajar en láseres aislantes topológicos, nadie creía que era posible, porque los conceptos topológicos conocidos en ese momento se limitaban a sistemas que no lo hacen, de hecho, no puedo, tener ganancia. Pero todos los láseres requieren ganancia. De modo que los láseres aislantes topológicos se oponían a todo lo conocido en ese momento. Éramos como un grupo de locos en busca de algo que se consideraba imposible. Y ahora hemos dado un gran paso hacia la tecnología real que tiene muchas aplicaciones ".

El equipo israelí y alemán utilizó los conceptos de fotónica topológica con VCSEL que emiten la luz verticalmente, mientras que el proceso topológico responsable de la coherencia mutua y el bloqueo de los VCSEL se produce en el plano del chip. El resultado final es un láser potente pero muy compacto y eficiente, no limitado por una serie de emisores VCSEL, y no perturbado por defectos o temperaturas alteradas.

"El principio topológico de este láser generalmente puede funcionar para todas las longitudes de onda y, por lo tanto, para una variedad de materiales, "explica el líder del proyecto alemán, el profesor Sebastian Klembt de la Universidad de Würzburg, trabajando en la interacción luz-materia y fotónica topológica dentro del ct.qmat Cluster of Excellence. "La cantidad exacta de microláseres que se deben organizar y conectar siempre dependerá por completo de la aplicación. Podemos ampliar el tamaño de la red láser a un tamaño muy grande, y, en principio, seguirá siendo coherente también para un gran número. Es genial ver esa topología, originalmente una rama de las matemáticas, ha surgido como una nueva caja de herramientas revolucionaria para controlar, dirección y mejora de las propiedades del láser ".

La investigación pionera ha demostrado que, de hecho, es posible, teórica y experimentalmente, combinar VCSEL para lograr un láser más robusto y altamente eficiente. Como tal, Los resultados del estudio allanan el camino hacia las aplicaciones de numerosas tecnologías futuras, como los dispositivos médicos, comunicaciones, y una variedad de aplicaciones del mundo real.