探索一切可能：新型拓撲激光器具有任意空腔形狀。
美國研究人員研發出一種新型激光器，光線可以在任意形狀的空腔中反射且不發生散射。研究人員聲稱該種“拓撲激光器”使用遠距通信波長，能夠促進硅光子器件的小型化，并保證量子信息不被散射。拓撲絕緣體的大部分體積無法通過電流，但可進行邊緣態的單方向導電，在沒有散射或漏電的情況下，能夠巧妙地繞過角落和表面的瑕疵。
在任意導體薄片上施加電場以及垂直于電場的磁場即可產生該種“受拓撲保護”的電流。在拓撲絕緣體的大部分，電子僅做簡單的繞圈運動，但邊緣處的電子以半圓形的軌跡跳躍。由于光子沒有磁矩，因此不受磁場的直接影響，但可通過入射光激發的電子來實現類似的效果。磁場對這些電子產生不同的影響，反過來也會對光產生不同的影響。
美國加利福尼亞大學圣地亞哥分校的應用物理學家Boubacar解釋道：“光子與磁場的相互作用通過拓撲絕緣體傳遞。”該理論在低頻下適用。
從理論到實踐
在硅光子學中，紅外波長下材料對磁場的反應非常微弱，因此許多研究人員認為這將無法產生光學帶隙，即在該光譜區域內材料的大部分體積內無法傳輸電磁波。然而，Boubacar和他的學生們并沒有退縮，他們“做了一些計算來驗證這些假設的正確性”。他們意識到，僅能在極短的波長帶寬內傳輸這一缺點可以用于需要窄帶寬的激光器中。
為了研究這一點，研究人員使用了兩種光子晶體——由磷化砷鎵銦制成的周期性光學納米結構。研究人員將其中一個光子晶體保存在另一個光子晶體內部，并將兩個晶體置于磁性礦物釔鐵石榴石的頂部。內部晶體由一系列排列成正方形柵格狀的星形晶胞組成，而外部晶體為具有圓柱孔的三角形柵格狀。兩個晶體之間的接觸面則是激光器的空腔，激光在該空腔中被放大。
光學帶隙的形成
這兩種不同形狀的光子晶體產生了單向且穩定的光子邊緣態，非常類似于拓撲絕緣體中的電子邊緣態。其引發的磁場能產生僅為42μm的光學帶隙，并在大約1550nm處完全反射，該區域為光纖光學傳輸中最長使用的波長范圍。
Boubacar解釋道：“光無法穿透兩面拓撲不同的鏡子，但可以在它們之間傳播，因為其擁有不同的拓撲。”磷化砷鎵銦在被激光器激發時自發發光，這種光存在于拓撲不同的材料之間的邊緣態內。因此這種邊緣態能夠對任意形狀的激光器空腔形成散射保護。
光束的提取
為了提取光束，研究人員去除了外部光子晶體的一排空隙，以產生空腔中瞬逝場的波導耦合，即一種由空腔內光波產生的非傳播式電磁干擾。研究人員發現從波導中形成的光強烈地傾向于某一個方向，這證明該種光在單向邊緣模式下產生。
研究人員表示，這種特性是非常有用的，因為反射回空腔的激光束可以注入噪聲，甚至破壞大功率的腔體。預防該種情況的設備通常體積龐大且需消耗大量能源。Boubacar表示：“現在我們有一種設備能夠選擇光入射的方向，使其無法再返回源頭。”
任意形狀的空腔可以實現集成光電子元件更密集的封裝，從而提高元件的運行速度。此外，無散射光子路徑的使用能夠在量子電路周圍傳輸更長距離的量子態。研究人員目前正在研發電動激光器，以避免使用大體積激光器。
舉世矚目的研究成果
美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Andrea認為這是首個非交互的拓撲光子材料，由于光學中的磁偏是不可逆的。“這項實驗結果舉世矚目，我知道很多人都在為此努力。”然而Andrea對一些潛在應用持懷疑態度，例如激光器的小型化，因為光子晶體需要的晶胞數量過多。
“通常，當晶胞間的距離為半波長時出現第一個帶隙，即750nm處。研究人員需要大量的晶胞來產生連接界面。有很多方法可以制造比這更小的激光器。”Andrea表示，研究中沒有提到的一個潛在且有趣的方法為創建具有角動量的激光束。
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