Wissenschaft

Die ersten ihrer Art: „Ausgetrickste” Photonen ermöglichen neue Laserfamilie

Nicolas Meudt Autor, Hemd & Hoodie

Der erste nichtmagnetische topologische Isolator-Laser ist extrem effizient, belastbar und bereitet den Weg für eine neue Klasse photonischer Geräte.

Laser sind sensibel: Staub, eine geringe Änderung in der Ausrichtung der Spiegel sowie unzählige andere Details können ihre Funktionsfähigkeit enorm einschränken. Aus diesem Grund suchen Wissenschaftler bereits seit geraumer Zeit nach Lösungen für hochleistungsfähige, monofrequente Halbleiter-Laseranordnungen, die selbst bei Fehlfunktionen oder Ausfällen einzelner Subelemente nicht an Effizienz verlieren. Erfolg brachte nun ein ungewöhnlicher Ansatz.

„Wir haben uns von den Entwicklungen auf dem Gebiet topologischer Isolatoren inspirieren lassen”, sagt Demetrios Christodoulides, einer der verantwortlichen Wissenschaftler. Diese speziellen Materialien leiten auf ihrer Oberfläche Suprastrom, während sie im Innern Isolatoren sind. Defekte, scharfe Kanten oder Störungen an ihrem Äußeren haben keinen Einfluss auf den Strom, der ohne Streuung unidirektional weiterfließt.

Laser emitiert im topologischen Kantenmodus

Um eine neue Laserfamilie mit verbesserten Leistungsmerkmalen zu erschaffen, begann das Team vor zwei Jahren, diese Erkenntnisse auf die Laserphysik zu übertragen und einen topologischen Isolator für Lichtteilchen zu konstruieren. Da Photonen im Gegensatz zu Elektronen jedoch keine Ladung haben und lichtemittierende Halbleitermaterialien von Magnetfeldern nicht wesentlich beeinflusst werden, gestaltete sich dieses Vorhaben zunächst schwierig.

Eine zentrale Rolle beim nichtmagnetischen topologischen Isolator-Laser spielen Mikroring-Resonatoren. Bild. University of Central Florida – (Montage)

„Um die Probleme zu lösen, haben wir raffinierte Designs entwickelt. Diese sorgen dafür, dass sich Photonen verhalten, als hätten sie durch ein magnetisches Feld einen Drall bekommen“, so Mercedeh Khajavikhan, der die Experimente leitete. Genauer gesagt nutzten die Forscher in ihren Versuchen eine spezielle Anordnung von Mikroring-Resonatoren. Indem sie nur die äußeren Ringe des Magnetfeld-simulierenden Aufbaus stimulierten, brachten sie den Laser dazu, im topologischen Kantenmodus zu emittieren.

neue Klasse Photonischer Geräte

Wie zuvor Elektronen, profitierten die Photonen somit von einem geschützten Transport entlang der Peripherie der Laseranordnung. In der Folge konnten die Forscher die verfügbare Pumpleistung extrem effizient nutzen und letztlich einen kohärenten und starken Laserstrahl erzeugen. „Es ist eine große Freude zu sehen, dass Grundlagenforschung gleichzeitig so tiefgründig und dennoch greifbar sein kann”, sagt Christodoulides.

Die nichtmagnetischen topologischen Isolator-Laser lassen sich in Sensoren, Antennen und andere elektronische Geräte integrieren.

In der Praxis sollen nichtmagnetische topologische Isolator-Laser künftig dazu beitragen, die Effizienz, Strahlqualität und Widerstandsfähigkeit von Halbleiter-Laseranordnungen wesentlich zu verbessern. Der University of Central Florida zufolge bereiten sie den Weg für eine neue Klasse photonischer Vorrichtungen, die sich problemlos in Sensoren, Antennen und andere elektronische Geräte integrieren lassen. Da Laser bislang zu den anfälligsten Bestandteilen vieler Apparate gehören, könnten diese so weitaus robuster und langlebiger werden.

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