新方法|美国加州大学圣地亚哥分校研究人员研究出新型拓扑激光腔，将为光电子学带来革命性的改变

美国加州大学圣地亚哥分校的研究团队研究出了一个新型激光腔，获得了诺贝尔物理学奖，该新型的激光腔将为光电子学带来革命性的改变。该激光腔可以形成任意的形状，并且可以通过磁场改变光的流动方向。

美国加州大学圣地亚哥分校的物理学家Boubacar Kante说，“将这项技术应用到光学领域具有令人兴奋地前景。”在最新一期《Science》期刊上，Kante和他的同事发表了这项名为拓扑腔的新技术。

图为研究人员BoubacarKante工作照

环形激光腔

通常情况下，用于光放大的激光腔的形状为一个环。如果它有尖锐的角，那么其中的一些光就会损失掉，激光器也无法正常工作。环形结构带来的一个结果是，如果工程师们想在一个光通信或者光计算芯片上放置许多激光器，在这些环之间会存在大量浪费的空间。

拓扑激光腔

Kante所带领的研究小组创造了一个拓扑激光腔，从而克服了形状的限制。他们使用铟镓砷化物建立了量子阱，所谓产生激光的部件。然后他们这些量子阱放在钇铁石榴石制成的光子晶体中。光子晶体具有与通过它的光波长相同尺寸的晶体结构，其结构就像一面镜子，将光线引导向需要的方向。

研究原理

在这样的情况下，研究人员制造了两种具有不同拓扑结构的光子晶体。其中一个具有星形的晶胞（构成晶体的基本几何单元），在正方形的网格中不断重复。另一个是三角形的网格，每个网格中有圆柱形气孔。Kante将这两种晶体比喻为百吉饼和椒盐卷饼——虽然它们从根本上说都是带有孔的面包，但是不同孔数意味着它们的形状具有完全不同。

在Kante的理论体系中，一种光子晶体位于另一种不同形状的光子晶体的内部，而两种晶体的交界面就会形成需要的激光腔。他说：“这个界面可以形成任何你想要的形状。”

研究成果

在晶体准备就绪之后，Kante利用磁场将该晶体结构转变成类似于拓扑绝缘体的光学结构。拓扑绝缘体的内部是绝缘的，只有表面是导电的，其相关研究获得了2016年的诺贝尔物理学奖，但是只有电学相关期间。在光子晶体拓扑绝缘体中，光的流动也仅限于晶体表面。将施加的磁场翻转会改变光的发射方向。

研究意义

该技术带来的直接实际应用是使得工程师可以更密集地将激光器封装到芯片上，从而实现更高速度的光通信。但是在另一方面，一种全新的光控制方法可能最终催生新型的光子器件，为实现比目前计算机更快、更节能的全光学计算机铺平道路。