من المفهوم أن نوعا جديدا من الأجهزة يسمى الليزر الطوبولوجي يمكن أن ينبعث منه الضوء بكفاءة أكبر من الليزر التقليدي. الآن ، ابتكر العلماء أول ليزر طوبولوجيا يعمل بالكهرباء يعمل في درجة حرارة الغرفة ، والذي يمكن استخدامه في مجال الاتصالات السلكية واللاسلكية.
الطوبولوجيا هي فرع من فروع الرياضيات التي تدرس جوانب الشكل التي يمكن أن تنجو من التشوه. على سبيل المثال ، قد يتشوه كائن على شكل حلقة على شكل كوب ، ويشكل الثقب الموجود في الحلقة الثقب الموجود في مقبض الكوب. ومع ذلك ، لا يمكن تغيير هذا الكائن إلى شكل مختلف اختلافا جوهريا وغير مسامي.
باستخدام منظور الطبولوجيا ، طور الباحثون أول عازل طوبولوجي إلكتروني في عام 2007. هذا العازل معزول داخليا وموصل خارجيا. الإلكترونات التي تتحرك على طول حواف أو أسطح هذه المواد تقاوم بشدة أي تداخل قد يغير تدفقها ، وتسمى "محمية طوبولوجيا".
ثم صمم العلماء عوازل طوبولوجية فوتونية يكون فيها الضوء محميا بالمثل. هذه المواد لها تغييرات منتظمة في الهيكل ، بحيث يتدفق ضوء طول موجي معين على طول السطح الخارجي ، وليس هناك تشتت أو فقدان حتى في الزوايا والعيوب.
الخطوة التالية هي تطوير أشعة الليزر التي تشمل الحماية الطوبولوجية. هذا النوع من الليزر الطوبولوجي يمكن أن ينتج بشكل فعال فقط ضوءا بطول موجي واحد مرغوب فيه ، بدلا من إهدار الطاقة عن طريق إنتاج أطوال موجية غير مرغوب فيها. بالإضافة إلى ذلك ، "فهي ليست حساسة للغاية للعيوب التي قد تحدث أثناء التصنيع أو التشغيل" ، مما يعني أنه حتى لو كانت لديهم عيوب ، فسوف ينتجون مثل هذا الضوء النقي ، كما قال ميرسيده خاجافيخان ، عالم الفيزياء في جامعة جنوب كاليفورنيا في لوس أنجلوس. لذلك ، يمكن أن يرى الليزر الطوبولوجي إنتاجا أعلى وأداء أكثر قوة في عملية الإنتاج.
ومع ذلك ، فإن أول ليزر طوبولوجيا يتطلب ليزر خارجي لإثارتها للعمل ، مما يحد من التطبيقات العملية. في الآونة الأخيرة ، طور العلماء أشعة الليزر الطوبولوجية التي تعمل بالكهرباء ، لكن هذه الليزر تتطلب درجة حرارة منخفضة تبلغ -264 درجة مئوية ، مما يحد أيضا من تطبيقاتها.
طور المؤلف الرئيسي للدراسة جاي هيوك تشوي من جامعة جنوب كاليفورنيا ، خاجافيخان ، وزملاؤه الآخرون أول ليزر طوبولوجي في درجة حرارة الغرفة يتم ضخه كهربائيا. قاموا بتفصيل النتائج التي توصلوا إليها في عدد 8 يونيو من Nature Communications.
يتكون الجهاز الجديد من شبكة دائرية 10×10 ، كل حلقة بعرض 30 ميكرون. ترتبط هذه الحلقات ببعضها البعض بواسطة حلقات مستطيلة صغيرة يبلغ عرضها حوالي 5 ميكرون. كل هذه الحلقات عبارة عن هياكل ساندويتش تتكون من أشباه الموصلات متعددة الطبقات ، مثل زرنيخيد الغاليوم الإنديوم ، وفوسفيد الإنديوم ، وزرنيخيد الإنديوم الغاليوم.
يحتوي الليزر التقليدي على تجويف رنين واحد فقط يخزن الطاقة الضوئية ، بحيث يمكنه توليد ضوء الليزر. تتمثل إحدى طرق زيادة طاقة خرج الليزر في إعطائه تجويفا أكبر ، ولكن هذا سيؤدي إلى إصدار الليزر ترددات متعددة بدلا من تردد واحد. وقال خاجافيخان إن ليزر الطوبولوجيا الجديد هذا يستخدم شبكته الحلقية 10×10 كرنانات متعددة ، "تماما مثل بناء منزل بغرف متعددة" للمساعدة في إصدار ضوء نقي أحادي الطول الموجي.
عندما يتم ضخ الأقطاب الكهربائية على حافة الصفيف كهربائيا في الشبكة ، تنتج الهالة ضوء الليزر بطول موجي يبلغ 1.5 ميكرون ، وهو الطول الموجي الأكثر استخداما في اتصالات الألياف البصرية. يساعد حجم الحلقات وهندستها ، والموقع بين الحلقات ، والسمك المحدد وتكوين طبقات أشباه الموصلات على ضمان حماية الضوء في الليزر طبوغرافيا.
تساعد الحماية الطوبولوجية على عمل الليزر ، حتى لو فقدت بعض الحلقات. تساعد طوبولوجيا الجهاز أيضا على التأكد من أن الضوء الذي ينبعث منه هو تقريبا جميع الأطوال الموجية المطلوبة - صفيف مماثل ، وموقع الحلقة مختلف قليلا ، وبالتالي فإن الطوبولوجيا مختلفة ، وتنبعث منها إضاءة أقل تتكون من عدة أطوال موجية مختلفة. طيف نقي.
وقال خاجافيخان: "لقد مكنت الضوئيات الطوبولوجية من الربط البيني بين الرنانات المتعددة من تحقيق وظائف جديدة ومحسنة". "من وسائل التواصل الاجتماعي إلى النظم الإيكولوجية البيولوجية ، يحدد الاتصال وظائف الشبكة ، ويلعب دورا مهما في النجاح والمرونة."
