Pesquisadores israelenses e alemães desenvolveram uma maneira de forçar uma série de lasers de cavidade vertical a agirem juntos como um único laser – uma rede de laser altamente eficaz do tamanho de um grão de areia. As descobertas são apresentadas em um novo artigo de pesquisa conjunta publicado online pela prestigiosa revista Science na sexta-feira, 24 de setembro.
Telefones celulares, sensores automotivos ou transmissão de dados em redes de fibra óptica estão todos usando os chamados Lasers de Emissão de Superfície de Cavidade Vertical (VCSELs) – lasers semicondutores que estão firmemente ancorados em nossa tecnologia cotidiana. Embora amplamente utilizado, o dispositivo VCSEL tem tamanho minúsculo de apenas alguns mícrons, o que define um limite rigoroso na potência de saída que pode gerar. Durante anos, os cientistas procuraram aumentar a potência emitida por esses dispositivos combinando muitos VCSELs minúsculos e forçando-os a agir como um único laser coerente, mas tiveram sucesso limitado. A descoberta atual usa um esquema diferente: ele emprega um arranjo geométrico único de VCSELs no chip que força o voo a fluir em um caminho específico – uma plataforma isolante topológica fotônica.
De isoladores topológicos a lasers topológicos
Isoladores topológicos são materiais quânticos revolucionários que isolam internamente, mas conduzem eletricidade em sua superfície – sem perdas. Vários anos atrás, o grupo Technion liderado pelo Prof. Mordechai Segev introduziu essas ideias inovadoras na fotônica e demonstrou o primeiro Isolador Topológico Fotônico, onde a luz viaja ao redor das bordas de uma matriz bidimensional de guias de ondas sem ser afetada por defeitos ou desordem . Isso abriu um novo campo, agora conhecido como “Fotônica Topológica”, onde centenas de grupos atualmente têm pesquisas ativas. Em 2018, o mesmo grupo também encontrou uma maneira de usar as propriedades de isoladores topológicos fotônicos para forçar muitos lasers de microanéis a travar juntos e agir como um único laser. Mas esse sistema ainda tinha um grande gargalo: a luz circulava no chip fotônico confinado ao mesmo plano usado para extrair a luz. Isso significava que todo o sistema estava novamente sujeito a um limite de potência, imposto pelo dispositivo usado para tirar a luz, semelhante a ter uma única tomada para toda uma usina. A descoberta atual usa um esquema diferente: os lasers são forçados a travar dentro do chip planar, mas a luz agora é emitida através da superfície do chip de cada laser minúsculo e pode ser facilmente coletada.
Circunstâncias e participantes
Este projeto de pesquisa germano-israelense originou-se principalmente durante a pandemia Corona. Sem o enorme empenho dos pesquisadores envolvidos, esse marco científico não teria sido possível. A pesquisa foi conduzida por Ph.D. o aluno Alex Dikopoltsev, da equipe do Distinto Professor Mordechai Segev, do Departamento de Física e do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação do Technion – Instituto de Tecnologia de Israel, e Ph.D. estudante Tristan H. Harder da equipe do Prof. Sebastian Klembt e do Prof. Sven Höfling na cadeira de Física Aplicada da Universidade de Würzburg e do Cluster de Excelência ct.qmat ? Complexidade e Topologia em Matéria Quântica, em colaboração com pesquisadores de Jena e Oldenburg. A fabricação do dispositivo aproveitou as excelentes instalações de sala limpa da Universidade de Würzburg.
O longo caminho para novos lasers topológicos
“É fascinante ver como a ciência evolui”, disse o Prof. Segev do Technion. “Passamos dos conceitos fundamentais da física para as mudanças fundamentais, e agora para a tecnologia real que está sendo perseguida pelas empresas. Em 2015, quando começamos a trabalhar com lasers isolantes topológicos, ninguém acreditava que fosse possível, porque os conceitos topológicos conhecidos em aquele tempo era limitado a sistemas que não têm, de fato – não podem – ter ganho. Mas todos os lasers exigem ganho. Portanto, os lasers isolantes topológicos resistiam a tudo que se conhecia na época. Éramos como um bando de lunáticos em busca de algo que era considerado impossível . E agora demos um grande passo em direção à tecnologia real que tem muitas aplicações.”
A equipe israelense e alemã utilizou os conceitos de fotônica topológica com VCSELs que emitem a luz verticalmente, enquanto o processo topológico responsável pela coerência mútua e travamento dos VCSELs ocorre no plano do chip. O resultado final é um laser poderoso, mas muito compacto e eficiente, não limitado por um número de emissores VCSEL e sem ser perturbado por defeitos ou alterações de temperatura.
“O princípio topológico deste laser geralmente pode funcionar para todos os comprimentos de onda e, portanto, uma variedade de materiais”, explica o líder do projeto alemão, Prof. Sebastian Klembt, da Universidade de Würzburg, trabalhando na interação luz-matéria e fotônica topológica dentro do cluster ct.qmat de Excelência. “Exatamente quantos microlasers precisam ser organizados e conectados sempre dependerá inteiramente da aplicação. Podemos expandir o tamanho da rede de laser para um tamanho muito grande e, em princípio, permanecerá coerente também para grandes números. É ótimo para veja que a topologia, originalmente um ramo da matemática, surgiu como uma nova caixa de ferramentas revolucionária para controlar, direcionar e melhorar as propriedades do laser. ”
A pesquisa inovadora demonstrou que é de fato teoricamente e experimentalmente possível combinar VCSELs para obter um laser mais robusto e altamente eficiente. Como tal, os resultados do estudo abrem o caminho para aplicações de inúmeras tecnologias futuras, como dispositivos médicos, comunicações e uma variedade de aplicações do mundo real.
Publicado em 26/09/2021 16h10
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