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物理学家创造了首个“拓扑结构”激光器
信息来源:信息管理中心 发布时间:2017年12月28日 【 】 【打印】 【关闭

  美国的研究人员已经研制出一种新型的激光器,光束可以在任意形状的空腔中反射但不发生散射。研究人员称之为拓扑激光器,这种激光器可以在电信波段运行,能够推进硅光子器件的小型化,甚至能够保护量子信息不会因为散射而被损失掉。 

 

1 研究人员正在制作拓扑结构的激光器 

  拓扑绝缘体与人们通常认识的绝缘体一样,是绝缘的,但是在它的边界或表面总是存在导电的边缘态。重要的是,这些态是单向的,均匀的绕过拐角和瑕疵,不会发生散射或泄漏。 

  在任意导体薄片平行方向和垂直方向增加电场和磁场就可产生拓扑保护的电流。在拓扑绝缘体内的大部分区域,电子做简单的环形运动,但边缘处的电子作轨道为半圆形的跳跃运动。由于光子没有磁矩,因此不直接影响磁场。但利用入射光激发的点火可以达到相似的效果。与未激发的电子相比,激发的电子对磁场的反应不同,并且反过来影响光。 

  但在硅光子学中,红外波长的材料对磁场的反应非常微弱,因此许多研究人员认为这将无法产生光学带隙。而Boubacar和他的学生们认为,仅能在极短的波长带宽内传输这一缺点可以用于需要窄带宽的激光器中。 

  研究人员利用由铟镓砷化物制成的两个光子晶体(具有周期性光学纳米结构)进行实验。研究人员将其中一个光子晶体放在另一个光子晶体内部,并将两个晶体置于磁性矿物钇铁石榴石石层的顶部。内部光子晶体由一系列排列成正方形栅格状星形单元组成,而外部晶体则为具有圆柱孔的三角形栅晶格。两个晶体之间的界面则形成激光器的振荡腔,激光在其中得以放大。由于两种光子晶体具有不同的形状,形成单向稳定的光子边缘态,与拓扑绝缘体中的电子边缘态类似,磁场在光子晶体中形成一仅为42μm宽的光学带隙,并在大约1550nm(在光纤传输中最经常使用的波长范围)处完全反射。为了提取光束,研究人员去除外部光子晶体的一排空隙,以产生耦合在空腔中瞬逝场的波导。研究人员发现从波导中形成的光,强烈地倾向于某一个方向,这证明该光来自于单向边缘模式。 

  美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Andrea认为这项实验结果举世瞩目,对一些潜在应用持怀疑态度,例如激光器的小型化。 

摘译自: http://physicsworld.com/cws/article/news/2017/oct/27/physicists-create-first-topological-laser 


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