編者按
來自新加坡南洋理工大學（NTU Singapore）和英國利茲大學（University of Leeds）的科學家和工程師，利用理論物理學中的拓撲狀態概念來製造了第一台電泵浦「拓撲」雷射器，可以很好地解決傳統電泵浦半導體雷射器設備製造過程中產生的缺陷，從而提高生產效率。
該研究成果已於今年2月13日在科學期刊 Nature 上發表。
第一台電泵浦「拓撲」雷射器
電泵浦半導體雷射器是當今最常見的雷射器類型。它的應用非常廣泛，在我們的生活中有很多它的身影，如條形碼讀取器、雷射印表機等。
除此之外，它還被應用到光纖通信和一些新興應用領域，例如自動駕駛汽車的雷射測距傳感器。
NTU全球首量無人駕駛電動大型Bus， 來源：ntu官網
電泵浦半導體雷射器的製造過程是非常嚴格的，一旦在製造的過程中出現任何的瑕疵，製造出來的雷射器就不能正常使用。
NTU電氣與電子工程學院的首席科學家 Wang QiJie 教授說：「目前的技術在製造和包裝過程中總會出現一些小問題，每批製造的雷射設備中都有一部分無法發射雷射。」 「這也正是我們探索光的拓撲狀態的動機之一，光的拓撲狀態比普通的光波更堅固。」
為了使光子在雷射平台上實現拓撲狀態，NTU和Leeds（利茲大學）團隊設計了一種穀結構的光子晶體（Valley Photonic Crystal），該設計的靈感來自二維Valleytronic絕緣子的電子拓撲材料。
聯合團隊展示研究成果， 來源：NTU
該設計由布置在三角形晶格中的六邊形孔組成，並蝕刻到半導體晶圓中，使其結構極為緊湊。
具有拓撲保護谷邊模的太赫茲量子級聯雷射器的設計
圖源：Nature
在微結構內，光的拓撲狀態在1.2毫米周長的三角形環內循環，充當光學諧振器，以累積形成雷射束所需的光能。
為什麼光波可以在三角形結構中出現環內循環的現象呢？普通的光波會被三角形的尖角阻隔，使它們不能順暢地循環。
NTU物理論物理學家YiDong Chong副教授解釋道：「光在三角形環內循環的現象，是由於拓撲狀態的特殊特徵所致。」
拓撲太赫茲量子級聯雷射器的製備與表征
圖源：Nature
《自然》雜誌在2月13日發表了有關電泵浦半導體雷射器研究最新進展，NTU聯合英國Leeds（利茲大學）科學家利用理論物理學中的拓撲狀態概念製造了第一台電泵浦「拓撲」雷射器。這種雷射器被認為有望通過使用現有的半導體技術來提高生產效率。
Nature周報封面（2月13日）， 來源：Nature官網
未來發展
這項研究的資深作者，利茲大學工程與物理科學學院的Giles Davies FREng 教授說：「拓撲雷射器是將迷人的基礎科學現象應用於電子設備的一個很好的例子，並且我們的研究表明，這種應用可以提高雷射器系統的性能。」
在這種新型拓撲結構下，量子級聯雷射器發出光的頻率為太赫茲頻率（ Terahertz Frequencies），介於電磁頻譜的微波和紅外區域之間。
太赫茲光（ Terahertz Light）已被認定在未來會被廣泛的應用在傳感，照明和無線通信行業中。
展望未來，聯合團隊正在研究利用其他類型拓撲狀態的雷射器。 題為「 Electrically Pumped Topological Laser with Valley Edge Modes 」的論文，發表於2020年2月13日的《自然》雜誌上。
王教授說：「我們在該項目中使用的設計被稱為谷結構光子晶體（Valley Photonic Crystal），這不是創建拓撲狀態的唯一方法。」 「有許多不同類型的拓撲狀態，可以針對不同類型的缺陷提供保護。我們認為，可以根據不同設備和應用程式的需求來定製設計。」
由於這種雷射器由電驅動，能為拓撲系統的實際應用開闢出一條道路。
本文來源於NTU官網
「Electrically Pumped Topological Laser with Valley Edge Modes」，發表於2020年2月13日《自然》雜誌
