L'avenir du laser à semi-conducteur: Lasers isolants topologiques

L'application de la physique topologique au laser crée des lasers plus efficaces et robustes

 

Un groupe de chercheurs israéliens et américains ont mis créé un nouveau système laser à semi-conducteur cohérent et robuste à haute efficacité: le laser isolant topologique. Les résultats ont été présentés dans deux documents de recherche conjoints ( l'un décrivant la théorie et l'autre les expériences réalisés) ont été publiés sur le site internet de la prestigieuse revue "Science", le jeudi 1er Février.

Les isolants topologiques sont l'un des domaines de la physique le plus innovant et le plus prometteur de ces dernières années, offrant un nouvel éclairage sur la compréhension de base du "transport protégé ". Ce sont des matériaux spéciaux qui sont des isolants dans leur intérieur mais qui font un "super courant" sur leur surface: le courant à leur surface n'est pas affecté par des défauts, des angles aigus ou des désordres; il continue unidirectionnellement sans être dispersé".

 

Les études ont été menées par le professeur Mordechai Segev, du Technion - Israel Institute of Technology et son équipe, le Dr Miguel A. Bandres et Gal Harari en collaboration avec les professeurs Demetrios N. Christodoulides et Mercedeh Khajavikhan et leurs étudiants Steffen Wittek, Midya Parto et Jinhan Ren à CREOL, Collège d'optique et de photonique, Université de Floride centrale, avec des scientifiques des États-Unis et de Singapour.

 

Il y a plusieurs années, le même groupe du Technion a présenté ces idées en photonique, et a démontré un isolateur photonique topologique, où la lumière se déplace sur les bords d'un réseau bidimensionnel de guides d'ondes sans être affecté par des défauts ou des désordres. Maintenant, les chercheurs ont trouvé un moyen d'utiliser les propriétés des isolateurs topologiques photoniques pour construire un nouveau type de laser qui montre un comportement fondamental unique et améliore grandement la robustesse et la performance, ouvrant la porte à un grand nombre d'applications futures .

 

"Ce nouveau système laser va à l'encontre de toutes les connaissances courantes sur les isolants topologiques", a déclaré le professeur Segev du Technion. "En résumé, les propriétés de robustesse uniques des isolateurs topologiques étaient considérées comme défaillantes lorsque le système acquière une augmentation d'énergie, comme tous les lasers doivent l'avoir. Mais nous avons montré que cette robustesse spécifique survit dans les systèmes laser qui ont un design spécial ("topologique"), et est capable de rendre les lasers beaucoup plus efficaces, plus cohérents, et en même temps immunisés contre toutes sortes d'imperfections de fabrication, défauts et semblables. Cela semble être une avenue passionnante pour faire fonctionner ensemble des réseaux de lasers miniatures: un seul laser haute puissance hautement cohérent."

 

Dans leur recherche, les scientifiques ont construit un réseau spécial de micro-résonateurs à anneaux dont le mode laser présente un transport topologiquement protégé - la lumière se propage dans une direction le long des bords du faisceau laser, immunisée contre les défauts et la forme des bords. Ceci, à son tour, comme démontré expérimentalement, conduit à un laser monomode très efficace qui dure beaucoup plus haut que le seuil laser. "C'est un grand plaisir de voir des recherches fondamentales déboucher sur des applications aussi profondes mais tangibles", a déclaré le professeur Christodouldies de l'UCF.

 

Le réseau fabriqué utilise des matériaux semi-conducteurs standard, sans avoir besoin de champs magnétiques ou de matériaux magnéto-optiques exotiques; par conséquent, il peut être intégré dans des dispositifs à semi-conducteurs. "Ces dernières années, nous avons trouvé de nouvelles astuces pour manipuler la lumière d'une manière sans précédent. Ici, en utilisant des conceptions intelligentes, nous avons trompé les photons pour qu'ils aient l'impression de subir un champ magnétique et qu'ils ont du spin », a déclaré le professeur Khajavikhan, l'un des principaux scientifiques de l'équipe.

 

Les chercheurs ont démontré que non seulement les lasers isolants topologiques sont théoriquement possibles et expérimentalement réalisables mais que l'intégration de ces propriétés crée des lasers plus efficaces. En tant que tels, les résultats de l'étude ouvrent la voie à une nouvelle classe de dispositifs photoniques topologiques actifs qui peuvent être intégrés avec des capteurs, des antennes et d'autres dispositifs photoniques.

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