Un equipo de investigadores de óptica de la Universidad de Florida Central ha demostrado el primer láser aislante topológico no magnético, un hallazgo que tiene el potencial de mejorar sustancialmente la eficiencia, la calidad del haz y la resistencia de los conjuntos de láser de semiconductores.
Estos resultados se presentan en dos trabajos de investigación, uno que describe la teoría de los láseres topológicos y los otros experimentos, publicados en ciencia .
El proyecto, dirigido por los profesores Mercedeh Khajavikhan y Demetrios Christodoulides de la Facultad de Óptica y Fotónica CREOL y sus estudiantes graduados Steffen Wittek, Midya Parto y Jinhan Ren, se llevó a cabo junto con un equipo de Technion - Israel que incluyeMoti Segev, Miguel Bandres y Gal Harari. El componente teórico del trabajo fue iniciado por el equipo de Technion, mientras que la parte experimental se llevó a cabo en CREOL.
Los equipos estaban interesados en resolver un problema de larga data en la física del láser que dejó perplejos a los científicos durante los últimos 40 años: cómo crear una matriz láser de semiconductores de alta potencia, finalmente enfocable y de frecuencia única que no pierda eficiencia incluso cuandolos subelementos fallan o funcionan mal. Se espera que dicho láser encuentre aplicaciones en numerosas áreas de la ciencia y la tecnología. La respuesta a este problema provino de un lugar bastante inesperado.
"Nos sentimos inspirados por los desarrollos en materiales aislantes topológicos", dijo Christodoulides. "Hace menos de dos años, el Premio Nobel de Física fue otorgado a los físicos teóricos cuyo trabajo estableció el papel de la topología en la comprensión de estas formas exóticasde importancia."
Los aislantes topológicos son una de las áreas más innovadoras y prometedoras de la física en los últimos años, ya que proporcionan una nueva visión de la comprensión básica del transporte protegido. Estos son materiales especiales que conducen una "supercorriente" en su superficie mientras son aislantes en suinterior. La corriente en la superficie no se ve afectada por defectos, esquinas afiladas o desorden; continúa unidireccionalmente sin dispersarse. Hace dos años, el equipo se preguntó si podría haber una manera de utilizar nociones de la ciencia topológica en la física láser. Esto podríaconducir a familias completamente nuevas de láser con características de rendimiento mejoradas.
El equipo decidió construir un aislante topológico para fotones. Sin embargo, esta es una tarea bastante difícil ya que los fotones, a diferencia de los electrones, no tienen carga. Además, los campos magnéticos no afectan sustancialmente a los materiales emisores de luz semiconductores.
"Para resolver estos problemas, se nos ocurrieron diseños ingeniosos para engañar a los fotones para que sientan que están experimentando un campo magnético y que tienen un giro", dijo Khajavikhan, el investigador principal. El equipo utilizó una serie de resonadores microrreductores que sondispuestos de tal manera que imitan la presencia de un campo magnético. Al bombear solo los anillos en la periferia de la matriz, excitaron al láser para que emitiera en el modo de borde topológico. Este modo, viajando a lo largo del borde, puede usar de manera más eficientetoda la potencia de la bomba disponible para generar un haz coherente, monomodo y de alta potencia.
El estudio conduce a una nueva clase de dispositivos fotónicos topológicos activos que podrían integrarse fácilmente con sensores, antenas y otros dispositivos fotónicos. El trabajo demostró que no solo los láseres aislantes topológicos son teóricamente posibles y experimentalmente factibles, sino que también marcan el primer prácticoaplicación utilizando dichos principios topológicos en óptica.
"Es un gran placer ver cómo una línea de investigación fundamental puede abordar problemas tan tangibles y prácticos", dijo Christodoulides.
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Materiales proporcionado por Universidad de Florida Central . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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