Топологический изолятор объединил тридцать лазеров в один

Физики доказали высокую когерентность света, испускаемого массивом вертикально-излучающих микролазеров, синхронизированных с помощью топологически защищенной моды. Для этого они сформировали из микролазеров топологический изолятор и зафиксировали интерференционную картинку от тридцати одновременно излучающих источников. Работа опубликована в Science.

Топологические изоляторы — это необычный класс материалов, в которых проводимость существует только на поверхности. Изначально топологические изоляторы были обнаружены в электронике, однако со временем такое поведение было обнаружено и для других волновых процессов, включая свет. Замечательной особенностью таких структур стало то, что поверхностные состояния в них оказываются топологически защищены от различных дефектов. Это свойство оказалось полезным при проектировании лазеров с инжекционной синхронизацией мод, испускаемых разными лазерами, для которой требуется эти лазеры связывать. Оказалось, что поверхностные моды в топологических изоляторах могут играть такую роль.

Попытки реализации этой идеи продолжаются уже несколько десятков лет. Среди прочих попыток особый интерес представляет синхронизация массива вертикально-излучающих лазеров. Несмотря на принципиальную возможность их инжекционной синхронизации, такие массивы используются исключительно в некогерентном ключе, например, для накачки твердотельных лазеров.

Группа физиков из Германии и Израиля при участии Себастьяна Клембт (Sebastian Klembt) из Вюрцбургского университета решила экспериментально доказать, что массив из 30 вертикально-излучающих лазеров, связанных поверхностной модой в топологическом изоляторе, может испускать свет с когерентностью, достаточной для практического использования. Чтобы это сделать, они сформировали двумерную решетку из цилиндрических микролазеров диаметром 2,5 микрона, которые представляют собой квантовую точку, запертую с обеих сторон брэгговскими зеркалами. Микролазеры объединялись по шесть штук в ячейки-соты двух типов: одни были немного растянуты, другие — сжаты. «Сжатая» часть решетки окружалась «растянутой» частью, на границе которых возникали условия для возникновения топологически защищенных мод.

Возбуждение этой моды связывает только те лазеры, что находятся на границе — всего их оказалось 30 штук. Физики накачивали только их с помощью лазерных импульсов в форме шестиугольной фигуры, создаваемых системой пространственных модуляторов, и исследовали свойства выходящего излучения. Первым свидетельством когерентности всех 30 лазеров стало то, что спектральная ширина всего отклика системы (249 микроэлектронвольт) была сопоставима с шириной одного лазера (170 микроэлектронвольт). Однако явная проверка согласованности всех мод была проверена авторами с помощью интерференции исходящего света со своим зеркальным отражением. Они наблюдали интерференционные полосы по всему профилю пучка.

Для сравнения ученые изготовили тривиальную решетку микролазеров, чьи ячейки не были деформированы. В этом случае заметная интерференция возникала только в окрестностях излучения тех лазеров, что лежали на плоскости отражения. Они оценили зависимость контраста интерференционной картины от расстояния до плоскости отражения и убедились, что в некогерентном случае она спадает на масштабах длин порядка диаметра микролазера, в то время как в когерентном случае она ведет себя постоянно.

Авторы отмечают, что убедились в топологической защищенности инжекционной синхронизации, измеряя спектральные свойства коллективного излучения в широком диапазоне температур, начиная от 4 кельвинов и заканчивая 200 кельвинами. Она надеются, что их работа станет важным шагом к развитию топологической фотоники в неэрмитовом и нелинейном режиме.

Активные исследования топологических изоляторов продолжаются и по сей день. Недавно мы писали про то, как физики превратили в топологический изолятор графен и даже разупорядоченную среду.

Марат Хамадеев