Az önszerveződés a kollektív rezonancia jelenségre utal, amikor az egyes elemek belső interakciók révén spontán rendezett mintákká rendeződnek. A kaotikus többmódusú szinkronizálás a hagyományos félvezető lézerüregekben azonban korlátozza teljesítményüket a gyakorlati alkalmazásokban. A topológiai fotonika, amely a kondenzált anyag fizikájában a topológiai állapotok elméletéből származik, "topológiai invariánsokat" alkalmaz a fotonikus kristályok sávszerkezetének leírására. Ez a megközelítés új paradigmát kínál robusztus, egyirányú és erősen lokalizált fotonikus állapotok megalkotásához.
A közelmúltban a Kínai Tudományos Akadémia Félvezető Intézetének munkatársa, Zheng Wanhua akadémikus vezette csapat úttörő munkát tett közzé a Laser & Photonics Reviews című lapban. Sikeresen figyelték meg a delokalizált topológiai élállapotok alapján szervezett lézeremissziót-, amivel nagy-léptékű, nagy-koherenciájú lézerkimenetet értek el. Ez az áttörés pontosan feloldja a hagyományos lézerek alapvető ellentmondását-a nagy teljesítmény és a nagy koherencia közötti kölcsönös korlátot. -egy kompromisszum-, amelyet gyakran a hagyományos eszközök fizikai korlátai írnak elő. A delokalizált topológiai élállapotok és a nem{10}}hermitikus moduláció által támogatott önszerveződő szinkronizációs mechanizmust kihasználva ez a kutatás megőrzi a topológiai védelem és az önszerveződés által biztosított magas koherencia-előnyt. Ezzel egyidejűleg a delokalizáció révén kibővíti az energiaelosztást, és végső soron egy innovatív műszaki megoldást alkot, amely szinergikusan optimalizálja az „erő{13}}koherenciát”.
1. ábra Az önszerveződő topológiai lézerkimenet és az alapelvek vázlata
A klasszikus egy-dimenziós topológiai Su-Schrieffer-Heeger (SSH) modellből kiindulva a kutatócsoport a szerkezet királis szimmetriavédelmét kihasználva modulálta az SSH-rácson belüli csatolási erősségeket, elérve a topológiai élállapotok delokalizált eloszlását a valós térben. Ezzel egyidejűleg a mintázott elektródastruktúrákon alapuló nem-hermitikus moduláció révén a delokalizált topológiai élállapotok fenntartják a dominanciát a rendezetlen hátterekkel szemben, egyedi önszerveződő mintákat mutatva. Az azonos léptékű fotonikus kristálylézerekhez képest ez a topológiai lézer nagyobb térbeli koherenciát mutat, ami alacsonyabb küszöbértékeket, stabilabb térbeli kimeneti módokat és nagyobb foltkontrasztot eredményez. Ezenkívül kiterjeszti a topológiai élállapotok térbeli eloszlási skáláját, és fáziseltolásos csatolókat tartalmaz a kimeneti optikai teljesítménysűrűség növelése érdekében.
2. ábra Delokalizált topológiai élállapotok sematikus felépítése
3. ábra Topológiai lézer összehasonlítása fotonikus kristályos kísérletekkel ekvivalens léptékben
Ez a megközelítés nemcsak a topológiai lézerek műszaki útjait diverzifikálja, hanem az integrált fotonikus chipeket és a nagy{0}}teljesítményű optikai emittereket átható topológiai fotonika trendjéhez is igazodik, tovább mozdítva a topológiai fizika gyakorlati alkalmazását a fotonikában. Az „A delokalizált állapot önszerveződő lézerezése nem-hermitikus manipuláció és királis szimmetria révén” címmel a Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.202501772) című kiadványban tették közzé. Chen Jingxuan posztdoktori kutató és Tang Chenyan, a Kínai Tudományos Akadémia Félvezető Intézetének doktorjelöltje az első társ-szerző. Wang Mingjin fiatal kutató és Zheng Wanhua akadémikus a társ-szerzők.
