Η αυτο-οργάνωση αναφέρεται στο φαινόμενο συλλογικού συντονισμού όπου μεμονωμένα στοιχεία διατάσσονται αυθόρμητα σε διατεταγμένα μοτίβα μέσω εσωτερικών αλληλεπιδράσεων. Ωστόσο, ο χαοτικός πολυτροπικός συγχρονισμός σε παραδοσιακές κοιλότητες λέιζερ ημιαγωγών περιορίζει την απόδοσή τους σε πρακτικές εφαρμογές. Η τοπολογική φωτονική, που προέρχεται από τη θεωρία των τοπολογικών καταστάσεων στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, χρησιμοποιεί "τοπολογικές αναλλοίωτες" για να περιγράψει τη δομή ζώνης των φωτονικών κρυστάλλων. Αυτή η προσέγγιση προσφέρει ένα νέο παράδειγμα για την κατασκευή ισχυρών, μονόδρομων και εξαιρετικά εντοπισμένων φωτονικών καταστάσεων.
Πρόσφατα, μια ομάδα με επικεφαλής τον Ακαδημαϊκό Zheng Wanhua από το Ινστιτούτο Ημιαγωγών της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, δημοσίευσε πρωτοποριακή εργασία στο Laser & Photonics Reviews. Παρατήρησαν με επιτυχία την αυτο-οργανωμένη εκπομπή λέιζερ-με βάση τις μετατοπισμένες τοπολογικές ακμές καταστάσεις, επιτυγχάνοντας μεγάλη-κλίμακα υψηλή-έξοδο λέιζερ συνοχής. Αυτή η ανακάλυψη επιλύει επακριβώς τη βασική αντίφαση στα παραδοσιακά λέιζερ-τον αμοιβαίο περιορισμό μεταξύ υψηλής ισχύος και υψηλής συνοχής. -έναντι αντιστάθμισης-που συχνά επιβάλλεται από φυσικούς περιορισμούς σε συμβατικές συσκευές. Αξιοποιώντας τον μηχανισμό αυτο-οργάνωσης συγχρονισμού που υποστηρίζεται από μη εντοπισμένες τοπολογικές ακμές καταστάσεις και μη{10}}ερμιτική διαμόρφωση, αυτή η έρευνα διατηρεί τόσο το πλεονέκτημα υψηλής συνοχής που παρέχει η τοπολογική προστασία όσο και η αυτο{11}}οργάνωση. Ταυτόχρονα, επεκτείνει τη διανομή ενέργειας μέσω της μετεγκατάστασης, διαμορφώνοντας τελικά μια καινοτόμο τεχνική λύση που βελτιστοποιεί συνεργικά τη «συνοχή{13}}δύναμης».
Σχήμα 1 Σχηματική εικόνα της αυτο-οργανωμένης τοπολογικής εξόδου λέιζερ και θεμελιωδών αρχών
Ξεκινώντας από το κλασικό-μονοδιάστατο τοπολογικό μοντέλο Su-Schrieffer-Heeger (SSH), η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε τη χειραλική συμμετρική προστασία της δομής για να διαμορφώσει τις δυνάμεις σύζευξης μέσα στο πλέγμα SSH, επιτυγχάνοντας μετατοπισμένη κατανομή τοπολογικών καταστάσεων ακμών του χώρου. Ταυτόχρονα, μέσω της μη-ερμιτικής διαμόρφωσης που βασίζεται σε δομές ηλεκτροδίων με μοτίβο, οι μη εντοπισμένες τοπολογικές ακμές καταστάσεις διατηρούν κυριαρχία σε διαταραγμένα υπόβαθρα, παρουσιάζοντας μοναδικά μοτίβα αυτο-οργανώσεως. Σε σύγκριση με λέιζερ φωτονικών κρυστάλλων ισοδύναμης κλίμακας, αυτό το τοπολογικό λέιζερ παρουσιάζει υψηλότερη χωρική συνοχή, με αποτέλεσμα χαμηλότερα κατώφλια, πιο σταθερές λειτουργίες χωρικής εξόδου και υψηλότερη αντίθεση κηλίδων. Επιπλέον, επεκτείνει την κλίμακα χωρικής κατανομής των τοπολογικών καταστάσεων ακμών και ενσωματώνει συζεύκτες μετατόπισης φάσης για τη βελτίωση της πυκνότητας οπτικής ισχύος εξόδου.
Σχήμα 2 Σχηματικός σχεδιασμός μη εντοπισμένων τοπολογικών καταστάσεων ακμών
Σχήμα 3 Σύγκριση τοπολογικού λέιζερ με πειράματα φωτονικών κρυστάλλων σε ισοδύναμη κλίμακα
Αυτή η προσέγγιση όχι μόνο διαφοροποιεί τις τεχνικές διαδρομές για τα τοπολογικά λέιζερ, αλλά ευθυγραμμίζεται επίσης με την τάση της τοπολογικής φωτονικής που διαπερνά τα ολοκληρωμένα φωτονικά τσιπ και τους οπτικούς εκπομπούς υψηλής απόδοσης{{0}, προωθώντας περαιτέρω την πρακτική εφαρμογή της τοπολογικής φυσικής στη φωτονική. Τα ευρήματα, με τίτλο "Αυτο-αυτοοργανωμένο lasing της μετατοπισμένης κατάστασης που ενεργοποιείται από μη-Ερμιτιανό χειρισμό και χειρόμορφη συμμετρία", δημοσιεύτηκαν στο Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.202501772). Ο μεταδιδακτορικός ερευνητής Chen Jingxuan και ο υποψήφιος διδάκτορας Tang Chenyan από το Ινστιτούτο Ημιαγωγών, Κινεζική Ακαδημία Επιστημών, είναι οι πρώτοι συν-συγγραφείς. Ο νεαρός ερευνητής Wang Mingjin και ο ακαδημαϊκός Zheng Wanhua είναι οι συν-αντίστοιχοι συγγραφείς.
