Um novo laser para comunicações mais eficientes

Jul 07, 2023

Novos dispositivos conhecidos como lasers topológicos podem ser mais eficientes na luz brilhante do que os lasers convencionais. Agora, os cientistas criaram o primeiro laser topológico acionado eletricamente que funciona à temperatura ambiente, que pode ser usado em telecomunicações.

A topologia é o ramo da matemática que investiga quais aspectos das formas podem sobreviver à deformação. Por exemplo, um objeto em forma de anel pode se deformar na forma de uma caneca, com o orifício do anel formando o orifício na alça do copo. No entanto, este objeto não poderia se deformar em uma forma sem um buraco sem mudar para uma forma fundamentalmente diferente.

Usando insights da topologia, os pesquisadores desenvolveram os primeiros isoladores topológicos eletrônicos em 2007. Eles são isolantes por dentro, mas condutores por fora. Os elétrons que viajam ao longo das bordas ou superfícies desses materiais resistem fortemente a quaisquer perturbações que possam alterar seu fluxo e são considerados "protegidos topologicamente".

Os cientistas então projetaram isoladores topológicos fotônicos nos quais a luz é protegida de forma semelhante. Esses materiais possuem variações regulares em suas estruturas que permitem que comprimentos de onda específicos de luz fluam ao longo de seu exterior sem dispersão ou perdas - mesmo em torno de cantos e imperfeições.

O próximo passo foi o desenvolvimento de lasers que incorporam proteção topológica. Esses lasers topológicos podem produzir luz com eficiência apenas em um único comprimento de onda desejado, em vez de desperdiçar energia gerando também comprimentos de onda indesejados. Além disso, "eles são menos sensíveis a imperfeições que podem ocorrer durante a fabricação ou operação", o que significa que geram uma luz tão pura mesmo que tenham defeitos, diz o autor sênior do estudo Mercedeh Khajavikhan, físico da Universidade do Sul da Califórnia em Los Angeles. . Como tal, os lasers topológicos podem obter rendimentos mais altos durante a produção, bem como um desempenho mais robusto, explica ela.

No entanto, os primeiros lasers topológicos precisavam de um laser externo para excitá-los para funcionar, limitando o uso prático. Recentemente, os cientistas desenvolveram lasers topológicos acionados eletricamente, mas estes exigiam temperaturas criogênicas de -264 °C, também limitando suas aplicações.

Agora, o principal autor do estudo, Jae-Hyuck Choi, da University of Southern California, juntamente com Khajavikhan e seus colegas, desenvolveram o primeiro laser topológico de temperatura ambiente bombeado eletricamente. Eles detalharam suas descobertas online em 8 de junho na revista Nature Communications.

O novo dispositivo consiste em uma grade de 10 por 10 anéis com 30 mícrons de largura cada. Esses anéis são conectados uns aos outros por pequenos anéis oblongos com cerca de 5 mícrons de largura. Todos esses anéis são feitos de um sanduíche de camadas de semicondutores, como arseneto de índio e gálio, fosfeto de índio e fosfeto de arseneto de índio e gálio.

Os lasers convencionais possuem uma cavidade ressonadora que armazena a energia da luz para que ocorra o laser. Uma maneira de aumentar a potência de saída de um laser é dar a ele uma cavidade maior, mas isso pode fazer com que o laser emita várias frequências em vez de apenas uma. O novo laser topológico usou sua grade de anéis de 10 por 10 para servir como vários ressonadores acoplados, “como construir uma casa com vários cômodos”, para ajudar a emitir luz pura de comprimento de onda único, diz Khajavikhan.

Quando os eletrodos na borda dessa matriz bombeiam eletricamente essa grade, os anéis geram luz laser em um comprimento de onda de 1,5 mícron, que é o comprimento de onda mais popular usado em comunicações de fibra óptica. O tamanho e a geometria dos anéis, a posição dos anéis um em relação ao outro e as espessuras específicas e a composição das camadas semicondutoras ajudam a garantir que a luz no laser seja protegida topologicamente.

A proteção topológica ajudou o laser a funcionar mesmo que alguns dos anéis estivessem faltando. A topologia do dispositivo também ajudou a garantir que a luz emitida fosse praticamente todo o comprimento de onda desejado - uma matriz semelhante com anéis em posições ligeiramente diferentes e, portanto, topologia diferente, emitia um espectro menos puro de luz feito de vários comprimentos de onda diferentes.