Топологічний ізолятор об'єднав тридцять лазерів в один

Фізики довели високу когерентність світла, що випускається масивом вертикально-випромінювальних мікролазерів, синхронізованих за допомогою топологічно захищеної моди. Для цього вони сформували з мікролазерів топологічний ізолятор і зафіксували інтерференційну картинку від тридцяти одночасно випромінювальних джерел. Робота опублікована в.

Топологічні ізолятори - це незвичайний клас матеріалів, в яких провідність існує тільки на поверхні. Спочатку топологічні ізолятори були виявлені в електроніці, проте з часом таку поведінку було виявлено і для інших хвильових процесів, включаючи світло. Чудовою особливістю таких структур стало те, що поверхневі стани в них виявляються топологічно захищеними від різних дефектів. Ця властивість виявилася корисною при проектуванні лазерів з інжекційною синхронізацією мод, що випускаються різними лазерами, для якої потрібно ці лазери пов'язувати. Виявилося, що поверхневі моди в топологічних ізоляторах можуть грати таку роль.

Спроби реалізації цієї ідеї тривають вже кілька десятків років. Серед інших спроб особливий інтерес становить синхронізація масиву вертикально-випромінювальних лазерів. Незважаючи на принципову можливість їх інжекційної синхронізації, такі масиви використовуються виключно в некогерентному ключі, наприклад, для накачування твердотільних лазерів.

Група фізиків з Німеччини та Ізраїлю за участю Себастьяна Клембт (Sebastian Klembt) з Вюрцбурзького університету вирішила експериментально довести, що масив з 30 вертикально-випромінюючих лазерів, пов'язаних поверхневою модою в топологічному ізоляторі, може випускати світло з когерентністю, достатньою для практичного використання. Щоб це зробити, вони сформували почесну решітку з циліндричних мікролазерів діаметром 2,5 мікрона, які являють собою квантову точку, замкнену з обох сторін брегівськими дзеркалами. Мікролазери об'єднувалися по шість штук в комірки-соти двох типів: одні були трохи розтягнуті, інші - стислі. «Стиснута» частина решітки оточувалася «розтягнутою» частиною, на кордоні яких виникали умови для виникнення топологічно захищених мод.

Збудження цієї моди пов'язує тільки ті лазери, що знаходяться на кордоні - всього їх виявилося 30 штук. Фізики накачували тільки їх за допомогою лазерних імпульсів у формі шестикутної фігури, створюваних системою просторових модуляторів, і досліджували властивості виходу випромінювання. Першим свідченням когерентності всіх 30 лазерів стало те, що спектральна ширина всього відгуку системи (249 мікроелектронвольт) була порівнянна з шириною одного лазера (170 мікроелектронвольт). Однак явна перевірка узгодженості всіх мод була перевірена авторами за допомогою інтерференції вихідного світла зі своїм дзеркальним відображенням. Вони спостерігали інтерференційні смуги по всьому профілю пучка.

Для порівняння вчені виготовили тривіальну решітку мікролазерів, чиї комірки не були деформовані. У цьому випадку помітна інтерференція виникала тільки в околицях випромінювання тих лазерів, що лежали на площині відображення. Вони оцінили залежність контрасту інтерференційної картини від відстані до площини відображення і переконалися, що в некогерентному випадку вона спадає на масштабах довжин порядку діаметра мікролазера, в той час як в когерентному випадку вона поводиться постійно.

Автори зазначають, що переконалися в топологічній захищеності інжекційної синхронізації, вимірюючи спектральні властивості колективного випромінювання в широкому діапазоні температур, починаючи від 4 кельвінів і закінчуючи 200 кельвінами. Вона сподівається, що їхня робота стане важливим кроком до розвитку топологічної фотоніки в неермітовому і нелінійному режимі.

Активні дослідження топологічних ізоляторів тривають і донині. Нещодавно ми писали про те, як фізики перетворили на топологічний ізолятор графен і навіть розупорядковане середовище.