Viele Ringe, nicht einer, erzeugen einen Laser zum Verwirren uns alle

In diesem Artikel geht es um Laser (nicht unbedingt den abgebildeten).Vergrößern / In diesem Artikel geht es um Laser (nicht unbedingt um den einen) abgebildet) .Knick Banas / Flickr

Heute werden wir uns mit einem Thema befassen, das jede Wissenschaft angeht Journalist befürchtet zutiefst: topologische Isolatoren. Fürchte dich nicht, Schatz Leser, sobald Ihr Kopf explodiert, werden Sie nichts fühlen. Außerdem, Dies sind nicht nur topologische Isolatoren, sondern sie sind topologisch Isolatorlaser, was den Schmerz definitiv lohnt.

Die Frage, die Ihnen am wichtigsten sein sollte, lautet: Warum? Sie kombinieren das am wenigsten leicht zu erklärende Konzept der Physik mit etwas so cooles wie laser? Und die Antwort ist, weil es dafür sorgt ein ziemlich guter Laser.

Bevor wir uns damit befassen, wie ein topologischer Isolator a verbessern kann Laser, schauen wir uns an, was einen Laser so schwierig macht.

Du machst einen winzigen Fehler …

Laser sind empfindliche Tiere. Mängel, in Zum m von Staub, die Ausrichtung von Spiegeln und unzähligen anderen Details reduzieren ihre Effizienz und kann sogar dazu führen, dass sich ein Laser selbst zerstört. Ja ich schmerzhafte, persönliche Erfahrung davon haben.

Die Probleme gehen aber noch weiter. Wenn Sie einen Laser machen, Was Sie oft wollen, ist eine bestimmte Lichtfarbe und eine bestimmte Intensitätsprofil zum Laserstrahl. Die Natur will jedoch nur Mit dir anlegen. Bei sehr geringer Leistung werden Sie (unter der Voraussetzung von Kompetenz in Design und Konstruktion) bekommen, was Sie wünschen.

Aber wenn Sie die Eingangsleistung erhöhen, fangen neue Farben an Auftauchen: Ihr Laser kann mehrere Farben gleichzeitig erzeugen. Das neue Farben können sogar die gewünschte Farbe unterdrücken. Dieser Tanz der Farben destabilisiert die Ausgangsleistung. Sogar das Strahlprofil wird gestartet durcheinander zu bringen, wenn die Macht zunimmt.

Es wird viel Zeit und Mühe darauf verwendet, diese zu beseitigen Probleme.

OK, seufz, Topologie ist es

Hier kommt die Idee der topologischen Zustände ins Spiel nicht so komplex, wie es sich anhört, aber um es zu verstehen, werden wir es tun Verzichten Sie auf Lichter und Laser für Elektronen und Isolatoren. Und nicht einmal Topologie erwähnen.

Stellen Sie sich vor, wir haben ein kristallines Material. Alle Atome sind angeordnet in einem geordneten Array. Die Elektronen sollten gedacht werden als Wellen, die um die Kerne schwappen. Wellen mischen sich, also mischen sich einige so dass sie sich zu einer stärkeren Welle addieren, und andere mischen sich so ein Art und Weise, dass sie aufheben, um schwächer zu werden. Das Ergebnis ist, dass die Elektronen müssen bestimmte Wellenlängen und Energien haben, die entsprechen Wellen, die sich nicht aufheben.

Wenn Sie das alles zusammenfassen, erhalten Sie zwei Energiebänder. Im unteren Band haben die Elektronen nicht viel Energie und sind es auch eingesperrt, in der Nähe ihrer Heimatkerne. In der höheren Energie Band, die Elektronen sind frei, wie der Büffel, um durch zu wandern die weite kristalline Prärie. Diese leiten Elektronen.

Keine Elektronen haben Energien, die in die Lücke zwischen den beiden fallen Bands, denn das sind die Wellen, die sich aufheben. Das bringt uns zurück zu Isolatoren. Isolatoren sind Materialien, für die die Lücke besteht zwischen den beiden Bändern ist so groß, dass das oberste Band im Grunde genommen ist leeren.

Dies gilt überall außer an der Oberfläche. Die Oberfläche ist wo die schöne, regelmäßige Anordnung von Kernen aufhört und die Symmetrie das gibt uns zwei kaputte bands. Also, für einige Materialien, die Das Innere ist ein Isolator, aber die Oberfläche kann Elektronen erlauben besetzen Staaten, die Verhalten.

Oberflächen sind komisch

Es wird jedoch besser. In einigen Fällen können die Oberflächenzustände Nehmen Sie eine sehr pecar Natur an. Elektronen bewegen sich in eine Richtung entlang einer Oberfläche haben ihren Spin – Spin ist die Ausrichtung ihrer Eigendrehimpuls – in eine Richtung ausgerichtet. Umkehren Richtung muss der Spin auch kippen. Diese Zustände werden durch beschrieben die Mathematik der Topologie, wo der Name und die Angst ist komme aus.

In jedem Material Kollisionen, die die Richtung eines Elektrons umkehren sind sehr verbreitet. Jedes Atom, das nur wenig fehl am Platz ist, jedes fehlende Atom in einer flachen Oberfläche und jedes Atom des Falschen Art ist ein Defekt, der nur darauf wartet, das Elektron zurück in die Zelle zu schlagen Richtung, aus der es kam. Diese Art von Kollision erfordert nur das das Atom etwas zurückspringen und ein wenig wackeln lassen, und Atome haben die völlige Freiheit, dies zu tun.

Was diese Atome nicht leicht machen können, ist, den Spin des Elektrons umzudrehen. Das ist schwer, denn wenn der Spin des Elektrons kippt, dann ein Spin woanders muss flippen. Das könnte ein Elektron sein, das noch ist an ein Atom gebunden. Damit dieses gebundene Elektron seinen Spin umdreht, ist es muss wohl seine energie erheblich verändern. Und wenn Du Denken Sie daran, wie Sie die Energie eines Elektrons in einem Isolator von oben verändern ist wirklich schwer.

Was bedeutet das alles? Stellen wir uns vor, ich lege eine Spannung an über meinen Isolator. In der Masse des Isolators passiert nichts. An der Oberfläche beginnen Elektronen zu fließen. Normalerweise diese Elektronen würden wie verrückt von allen Oberflächendefekten zerstreut. Dies kann jedoch nicht passieren, da sie dazu das Drehen umdrehen müssen es sei denn, sie können auch etwas Energie abgeben. Es gibt keinen einfachen Weg dazu Energie abgeben, damit die Elektronen gut von einem Ende zum anderen fließen andere, als ob die Mängel nicht bestünden.

Also, während der größte Teil des Materials gerne dem Fluss von widersteht Elektronen, sie fließen mit minimalem Widerstand auf die Oberfläche.

Du hast mir Laser versprochen

Inzwischen sehen Sie vielleicht, wohin wir gehen. Diese Oberflächenzustände enthalten Elektronen, vor denen geschützt ist Ausstreuen von Defekten. Wenn Sie einen Laser konstruieren können, so dass die Licht ist in einem geschützten Zustand, es sollte sehr effizient sein. Jene Staaten sollten auch eine bestimmte Energie und Dynamik haben. Das bedeutet dass die Emissionsfarbe des Lasers gut definiert sein sollte Wellenlänge, und das räumliche Profil der Emission sollte bleiben in nur einer Form.

Auf der anderen Seite die Mathematik, die verwendet wird, um diese zu verstehen Bei geschützten Oberflächenzuständen wird davon ausgegangen, dass Sie die Zahl nicht verstärken können von Elektronen, während ein Laser genau das mit Photonen macht. Also nein man war sich genau sicher, ob ein topologischer Isolatorlaser dies könnte existieren.

Und jetzt wissen wir, dass es so ist.

Elektronen gegen Photonen tauschen

Kehren wir zu unserem Kristall zurück: einer geordneten Anordnung von Atomen, die hat ein leeres Leitungsband. Wir werden das durch Ringe aus ersetzen Lichtwellenleiter, die nahe genug beieinander liegen, leuchten kann von einem Wellenleiter zum anderen auslaufen (denken Sie daran, es ist wird gleich wichtig sein). Diese Wellenleiter sind aus einem Material hergestellt, das bei entsprechender Anregung Licht aussenden. Wenn es nicht erregt ist, kann es Licht absorbieren. Wenn wir es tun nichts, dann ist der gesamte 2D-Kristall ein Isolator: egal wo Wir injizieren Licht, es geht nirgendwo hin.

Alternativ könnten wir den gesamten Kristall anregen (dies wird getan) durch Aufstrahlen von Laserlicht auf das Gitter). Bei eingeschalteten Lichtern Kristall wird sich wie ein Leiter verhalten: Wenn wir Licht einkoppeln, wird es verstärkt werden und um den Kristall reisen.

Schließlich können wir einen Kantenleiter erzeugen, indem wir nur den Strom erregen Ringe, die sich auf der Außenseite des Kristalls befinden. Nun, das ist Licht In den Kristall eingespritzt muss sich um den Rand bewegen – das ist es im Innenraum aufgenommen.

Dies ist jedoch kein geschützter Zustand, und die Mängel bleiben bestehen licht streuen. Der geschützte Staat kommt übrigens zustande Licht tritt aus einem Ring aus, durch den nächsten Nachbarn und weiter zu der Ring dahinter. Dies geschieht mit Zwischenringen, die sind vorsichtig platziert, um die Phase des Lichts zu verschieben, wenn es herausspringt Ring zu Ring.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Art und Weise, wie die Ringe erregt werden, für Licht sorgt Ich kann mich nur um die Kanten bewegen, so wie die Ringe sind miteinander verbunden sorgt dafür, dass Licht nur aus dem gestreut werden kann klingeln, wenn sich die Farbe ändert. (Genauer gesagt, Licht, das nicht drin ist der geschützte Zustand wird sofort aus dem Kristall gestreut, so bleibt nur licht, das im geschützten zustand ist.) das übrige Licht wird dann durch das Laserverstärkungsmaterial verstärkt, so dass es dominiert schnell.

Diese Forschung zeigt wirklich die Bedeutung der Modellierung. Wenn Die Forscher waren nicht in der Lage, den Laser genau zu modellieren, Sie hätten niemals das richtige Design finden können. Auf der experimentell gesehen müssen die fertigungstoleranzen gewesen sein unglaublich eng. Wir sprechen darüber, wie diese topologischen Zustände sind vor mängeln geschützt, aber ich bin mir nicht sicher das das zutrifft Platzierung der Ringe, die den topologischen Zustand in der erster Platz. Ich denke, das musste sonst sehr sorgfältig gemacht werden die Energielücke zwischen dem topologisch geschützten Zustand und ungeschützte Staaten wären verschmiert worden, was auch geschadet hätte ruinierte die Leistung des Lasers.

Erstaunlicherweise scheint es zu funktionieren. Die Forscher konstruierte mehrere Kristalle, die entweder eine geschützte Kante trugen Zustand oder ein ungeschützter Randzustand. Der Vergleich zwischen den beiden zeigt, dass der geschützte Zustand wirklich geschützt ist: Sie können klopfen Ringe raus und der Laser läuft schön weiter. Der Laser, der arbeitet im geschützten Zustand ist viel effizienter. Und wenn du kurbelst Wenn die Leistung des Lasers nach oben geht, erscheinen keine neuen Farben im topologischer Isolatorlaser, während sie im Laser mit einem ungeschützter Randzustand.

Das ist spannende Forschung. Diese Art von Lasern – solche mit einer sehr spezifische Farbe und eine scharf definierte Wellenlänge sind entscheidend auf Dinge wie 5G-Netze und weltraumgestützte Interferometer. ForIch kann mir vorstellen, dass High-End-Anwendungen das Labor hübsch verlassen bald.

Wissenschaft, 2018, DOI: 10.1126 / science.aar4005 Wissenschaft, 2018, DOI: 10.1126 / science.aar4003 (Über DOIs).

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