Deellir y gall math newydd o ddyfais o'r enw laser topolegol allyrru golau yn fwy effeithlon na laserau traddodiadol. Nawr, mae gwyddonwyr wedi creu'r laser topoleg trydan cyntaf sy'n gweithio ar dymheredd ystafell, y gellir ei ddefnyddio ym maes telathrebu.
Mae topoleg yn gangen o fathemateg sy'n astudio pa agweddau ar siâp sy'n gallu goroesi anffurfiad. Er enghraifft, gall gwrthrych siâp fel cylch anffurfio i siâp cwpan, ac mae'r twll yn y cylch yn ffurfio'r twll yn handlen y cwpan. Fodd bynnag, ni ellir newid y gwrthrych hwn i siâp sylfaenol wahanol, nad yw'n fandyllog.
Gan ddefnyddio persbectif topoleg, datblygodd ymchwilwyr yr ynysydd topolegol electronig cyntaf yn 2007. Mae'r ynysydd hwn wedi'i inswleiddio'n fewnol ac yn ddargludol yn allanol. Mae electronau sy'n symud ar hyd ymylon neu arwynebau'r deunyddiau hyn yn gwrthsefyll yn gryf unrhyw ymyrraeth a allai newid eu llif, ac fe'u gelwir yn "amddiffyniad topolegol".
Yna dyluniodd gwyddonwyr ynysyddion topolegol ffotonig lle mae golau yn cael ei warchod yn yr un modd. Mae gan y deunyddiau hyn newidiadau rheolaidd mewn strwythur, fel bod golau tonfedd benodol yn llifo ar hyd eu tu allan, ac nid oes unrhyw wasgariad na cholled hyd yn oed ar gorneli a diffygion.
Y cam nesaf yw datblygu laserau sy'n cynnwys amddiffyniad topolegol. Dim ond un donfedd ddymunol y gall y math hwn o laser topolegol ei gynhyrchu'n effeithiol, yn lle gwastraffu ynni trwy gynhyrchu tonfeddi diangen. Yn ogystal, "nid ydynt yn sensitif iawn i ddiffygion a all ddigwydd yn ystod gweithgynhyrchu neu weithrediad", sy'n golygu, hyd yn oed os oes ganddynt ddiffygion, y byddant yn cynhyrchu golau pur o'r fath, meddai Mercedeh Khajavikhan, ffisegydd ym Mhrifysgol De California yn Los. Angeles. Felly, gall Lasers topolegol weld allbwn uwch a pherfformiad mwy pwerus yn y broses gynhyrchu.
Fodd bynnag, mae angen laser allanol ar y laserau topoleg cyntaf i'w cyffroi i weithio, sy'n cyfyngu ar gymwysiadau ymarferol. Yn ddiweddar, mae gwyddonwyr wedi datblygu laserau topolegol a yrrir yn drydanol, ond mae angen tymheredd isel o -264 gradd ar y laserau hyn, sydd hefyd yn cyfyngu ar eu cymwysiadau.
Mae prif awdur yr astudiaeth Jae-Hyuck Choi ym Mhrifysgol De California, Khajavikhan, a chydweithwyr eraill wedi datblygu'r laser topolegol tymheredd ystafell cyntaf sy'n cael ei bwmpio'n drydanol. Rhoddwyd manylion eu canfyddiadau yn rhifyn Mehefin 8fed o Nature Communications.
Mae'r ddyfais newydd yn cynnwys rhwydwaith cylch 10 × 10, pob cylch yn 30 micron o led. Mae'r modrwyau hyn wedi'u cysylltu â'i gilydd gan fodrwyau hirsgwar bach tua 5 micron o led. Mae'r holl fodrwyau hyn yn strwythurau rhyngosod sy'n cynnwys lled-ddargludyddion amlhaenog, fel indium gallium arsenide, indium phosphide, ac indium gallium indium arsenide.
Dim ond un ceudod soniarus sydd gan y laser traddodiadol sy'n storio ynni golau, fel y gall gynhyrchu golau laser. Un ffordd o gynyddu pŵer allbwn laser yw rhoi ceudod mwy iddo, ond bydd hyn yn achosi i'r laser allyrru amleddau lluosog yn lle un. Dywedodd Khajavikhan fod y laser topoleg newydd hwn yn defnyddio ei grid cylch 10 × 10 fel cyseinyddion lluosog, “yn union fel adeiladu tŷ gydag ystafelloedd lluosog” i helpu i allyrru golau tonfedd sengl pur.
Pan fydd yr electrodau ar ymyl yr arae yn cael eu pwmpio'n drydanol i'r grid, mae'r halo yn cynhyrchu golau laser gyda thonfedd o 1.5 micron, sef y donfedd a ddefnyddir amlaf mewn cyfathrebu ffibr optegol. Mae maint a geometreg y modrwyau, y lleoliad rhwng y modrwyau, a thrwch a chyfansoddiad penodol yr haenau lled-ddargludyddion yn helpu i sicrhau bod y golau yn y laser wedi'i warchod yn dopolegol.
Mae amddiffyniad topolegol yn helpu'r laser i weithio, hyd yn oed os bydd rhai cylchoedd yn cael eu colli. Mae topoleg y ddyfais hefyd yn helpu i sicrhau bod y golau y mae'n ei allyrru bron yr holl donfeddi gofynnol - amrywiaeth debyg, mae lleoliad y cylch ychydig yn wahanol, felly mae'r topoleg yn wahanol, ac mae'n allyrru llai o olau sy'n cynnwys sawl tonfedd wahanol. . Sbectrwm pur.
"Mae ffotoneg dopolegol wedi ei gwneud hi'n bosibl i gydgysylltu cyseinyddion lluosog wireddu swyddogaethau newydd a gwell," meddai Khajavikhan. "O'r cyfryngau cymdeithasol i ecosystemau biolegol, mae cysylltedd yn pennu swyddogaethau rhwydwaith, Yn chwarae rhan bwysig mewn llwyddiant a gwydnwch."
