Singapur’daki Nanyang Teknoloji Üniversitesi‘nden (NTU Singapur) ve Leeds Üniversitesi‘nden bilim adamları ve mühendisler, hafif parçacıkları köşelerin etrafından geçirme ve üretimdeki kusurlarla başa çıkma yeteneğine sahip ilk elektrikle çalışan topolojik lazer cihazını icat ettiler.
Elektrikle çalışan yarı iletken lazerler günümüzde en yaygın lazer cihazı türüdür. Barkod okuyucular ve lazer yazıcılar gibi ürünlerde, fiber optik iletişim için ve kendi kendine giden otomobiller için lazer menzil sensörleri gibi yeni uygulamalarda kullanılırlar.
Bununla birlikte, üretimleri fazlasıyla titiz bir işlemdir ve bu işlemler sırasında lazerin yapısında herhangi bir hata yapılır veyahut bir kusur işlenirse mevcut lazer tasarımları iyi çalışmaz hatta hiç çalışmayabilir.
Nature’de yayınlanan bu ilerleme, uzun süredir devam eden bu sorunun üstesinden gelindiğini görüyoruz. Ayrıca mevcut yarı iletken teknolojilerini kullanarak daha verimli ve daha az israfa yol açmayı vaat ediyor. Topolojik bir lazeri yapmak, diğer sıradan lazerleri yapmaktan farklıdır. Bunun için topolojik durumlar olarak bilinen teorik fiziğin bir konseptinden istifade edilmektedir.
1980’lerde bilim adamları, belirli malzemelerden akan elektronların topolojik özelliklere sahip olduklarını, yani saçılma veya sızıntı olmadan köşelerin veya kusurların etrafından akabileceklerini buldular. 2016 Nobel Fizik Ödülü, bu topolojik elektron durumlarının araştırılmasına öncülük eden üç teorik fizikçiye verildi.
Şimdi, Leeds Üniversitesi’nden malzeme bilimcileriyle, işbirliği içindeki NTU Singapur’dan disiplinler arası bir ekip var. Ekip, bu topolojik yaklaşımı fotonlar olarak bilinen hafif parçacıklara uyguladı. Bu çalışmada, araştırmacılar Leeds Üniversitesi’nde geliştirilen kuantum kaskad lazeri adı verilen bir tür elektrikle çalışan lazerle çalıştılar.
NTU ve Leeds ekibi, bir lazer platformunda topolojik durumlara ulaşmak için iki boyutlu valleytronic izolatörleri olarak bilinen elektronik topolojik malzemelerden esinlenen bir vadi fotonik kristali içeren yeni bir tasarım geliştirdiler. Tasarım, üçgen bir kafes içinde düzenlenmiş, yarı iletken bir yonga plakasına kazınmış ve son derece kompakt hale gelen altıgen deliklerden oluşuyor.
Mikroyapı içinde ışığın topolojik durumları, bir lazer ışını oluşturmak için gereken ışık enerjisini biriktirmek için optik bir rezonatör olarak işlev gören 1.2 milimetre çevre üçgen bir döngü içinde dolaşır.
Araştırmacılar, yeni topolojik kuantum kaskad lazerin ilginç bir özelliği olduğunu söylüyorlar. Yaydığı ışığın elektromanyetik spektrumun mikrodalga ve kızılötesi bölgeleri arasındaki terahertz frekanslarında olduğunu belirtiyor. Terahertz ışığı gelecek vaat eden bir alandır. Algılama, aydınlatma ve kablosuz iletişimde teknolojik uygulamaların ortaya çıkabileceği başlıca alanlardan biridir.
Geleceğe bakacak olursak, ortak ekip diğer topolojik durumlardan yararlanan lazerler üzerinde çalışıyor. NTU Singapur’dan Profesör Wang diyor ki: “Bu projede kullandığımız vadi fotonik kristali adı verilen tasarım topolojik durumlar yaratmanın tek yolu değil.” Ardından şöyle ekleyerek devam ediyor: “Farklı kusur türlerine karşı koruma sağlayan birçok farklı topolojik durum türü vardır. Tasarımı farklı cihaz ve uygulamaların ihtiyaçlarına göre uyarlamanın mümkün olacağını düşünüyoruz.”