美國加州大學聖地亞哥分校研究人員研究出新型拓撲激光腔，將為光電子學帶來革命性的改變

美國加州大學聖地亞哥分校的研究團隊研究出了一個新型激光腔，獲得了諾貝爾物理學獎，該新型的激光腔將為光電子學帶來革命性的改變。該激光腔可以形成任意的形狀，並且可以通過磁場改變光的流動方向。

美國加州大學聖地亞哥分校的物理學家Boubacar Kante說，「將這項技術應用到光學領域具有令人興奮地前景。」在最新一期《Science》期刊上，Kante和他的同事發表了這項名為拓撲腔的新技術。

圖為研究人員BoubacarKante工作照

環形激光腔

通常情況下，用於光放大的激光腔的形狀為一個環。如果它有尖銳的角，那麼其中的一些光就會損失掉，激光器也無法正常工作。環形結構帶來的一個結果是，如果工程師們想在一個光通信或者光計算晶元上放置許多激光器，在這些環之間會存在大量浪費的空間。

拓撲激光腔

Kante所帶領的研究小組創造了一個拓撲激光腔，從而克服了形狀的限制。他們使用銦鎵砷化物建立了量子阱，所謂產生激光的部件。然後他們這些量子阱放在釔鐵石榴石製成的光子晶體中。光子晶體具有與通過它的光波長相同尺寸的晶體結構，其結構就像一面鏡子，將光線引導向需要的方向。

研究原理

在這樣的情況下，研究人員製造了兩種具有不同拓撲結構的光子晶體。其中一個具有星形的晶胞（構成晶體的基本幾何單元），在正方形的網格中不斷重複。另一個是三角形的網格，每個網格中有圓柱形氣孔。Kante將這兩種晶體比喻為百吉餅和椒鹽卷餅——雖然它們從根本上說都是帶有孔的麵包，但是不同孔數意味著它們的形狀具有完全不同。

在Kante的理論體系中，一種光子晶體位於另一種不同形狀的光子晶體的內部，而兩種晶體的交界面就會形成需要的激光腔。他說：「這個界面可以形成任何你想要的形狀。」

研究成果

在晶體準備就緒之後，Kante利用磁場將該晶體結構轉變成類似於拓撲絕緣體的光學結構。拓撲絕緣體的內部是絕緣的，只有表面是導電的，其相關研究獲得了2016年的諾貝爾物理學獎，但是只有電學相關期間。在光子晶體拓撲絕緣體中，光的流動也僅限於晶體表面。將施加的磁場翻轉會改變光的發射方向。

研究意義

該技術帶來的直接實際應用是使得工程師可以更密集地將激光器封裝到晶元上，從而實現更高速度的光通信。但是在另一方面，一種全新的光控制方法可能最終催生新型的光子器件，為實現比目前計算機更快、更節能的全光學計算機鋪平道路。

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