來自新加坡南洋理工大學和英國利茲大學的科學家和工程師們，發明了第一臺電驅動拓撲激光器，它具有繞過角落路由輕粒子的能力，並能夠應對設備製造中的缺陷。
電驅動半導體激光器是當今最常見的激光器件，它們被用於條形碼閱讀器和激光打印機等產品，用於光纖通信，以及用於新興應用，如自動駕駛汽車的激光測距傳感器。然而製造是一個嚴格的過程，如果在這些過程中在激光器的結構中引入任何缺陷，那麼當前的激光器設計就不能很好地工作。
在20世紀80年代，科學家們發現，在某些材料中流動的電子具有拓撲特徵，這意味著它們可以繞過角落或缺陷流動，而不會散射或洩漏。2016年諾貝爾物理學獎授予三位理論物理學家，就因他們開創了對電子這種拓撲態的研究。
現在，新加坡南大的一個由工程師和物理學家組成的跨學科團隊與利茲大學的材料科學家合作，將這種拓撲方法應用於輕粒子，即光子。南洋理工大學電氣電子工程學院首席科學家王齊傑教授說：
每一批製造的激光設備，都有一些部分由於製造和封裝過程中引入的缺陷而無法發射激光，這是我們探索激光的拓撲態動機之一，激光的拓撲態比普通光波要穩定得多。在目前的研究中，研究人員使用了一種名為量子級聯激光器的電驅動激光器，該激光器基於利茲大學開發的先進半導體晶片。
這項研究的資深作者、利茲大學工程和物理科學學院負責研究和創新的副院長賈爾斯·戴維斯·弗雷恩教授說：拓撲激光器是將一種引人入勝的基本科學現象，應用於實際電子設備的一個很好例子，正如研究顯示的那樣，它具有改善激光系統性能的潛力。
為了在激光平臺上實現拓撲狀態，研究團隊開發了一種新的設計，其中包含一種谷光子晶體，其靈感來自於被稱為二維谷電子絕緣體的電子拓撲材料。該設計由排列在三角形晶格中的六角形孔組成，蝕刻在半導體晶片上，使其非常微型。
在微結構內，激光的拓撲態在1.2毫米圓周的三角形環內循環，充當光學諧振器，積累形成激光束所需的光能。新加坡國立大學理論物理學家、該項目聯合首席研究員易東衝副教授表示：
光在這個環路中循環，包括繞著三角形的尖角運動，這是由於拓撲態的特殊特徵，普通光波會被尖銳的角落干擾，使它們無法平穩地循環。研究人員指出，新的拓撲量子級聯激光器的一個有趣特徵是：它發出的光，是在電磁光譜微波和紅外區域之間的太赫茲頻率。
太赫茲光已被確定為未來在傳感、照明和無線通信中可能出現的技術應用主要領域之一。這項研究項目歷時兩年，涉及一個由12名研究人員組成的跨學科團隊。團隊成員還包括：
臺大物理學家張柏樂副教授(博士後研究員，也是該論文的第一作者)，以及利茲大學太赫茲電子學教授Edmund Linfield教授和高級研究員Lianhe Li博士。展望未來，聯合團隊正在研究利用其他類型拓撲態的激光器。在這個項目中使用的設計，叫做谷光子晶體，並不是創造拓撲態的唯一方法。
有許多不同類型的拓撲狀態，提供針對不同類型缺陷的保護，研究人員還認為，根據不同設備和應用需求量身定做設計將是可能的。2018年，以色列理工學院和美國中佛羅里達大學的一個團隊，開發了一種由一系列相連光學諧振器製成的拓撲激光器。
研究表明，激光的拓撲態，可以有效地在激光陣列中的角落和缺陷周圍傳播。然而，這種原型激光器的缺點比大多數半導體激光器大得多，而且是光學驅動的，這意味著它是由另一臺激光器供電的。
博科園｜研究/來自：南洋理工大學
參考期刊《自然》
DOI: 10.1038/s41586-020-1981-x
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