拓扑激光腔或为光电科学带来变革

供图：Kanté Group,，加利福尼亚大学圣地亚哥分校

一种新型的激光腔（laser cavity）能够被做成任何形状，并通过磁场来改变光的流动，这个新技术是基于一项获得了诺贝尔物理学奖的研究。

“利用光来做的这件事的前景令人激动”，加利福尼亚大学圣地亚哥分校（the University of California, San Diego）的物理学家Boubacar Kante这样说道。Kante和他的同事们在近期的《科学》杂志上描述了他们所说的“拓扑腔”（topological cavities）。

通常，一个用于放大光线的激光腔会被制成环形。如果在上面有尖角，部分光线就会丢失，而且激光也无法工作。而环形的激光腔带来的结果是，如果工程师想要在一块芯片上放置许多的激光器——比如用于光学通信和计算，那么环之间将会有大量浪费了的可用空间。

Kante的小组通过研发一种拓扑腔结构来克服了这个形状上的局限。他们把量子阱（形成激光的部分）构建在磷化砷镓铟（indium gallium arsenide phosphide，译者注：电注入式半导体激光器材料）的外侧。并将这些放置在由钇铁石榴石（yttrium iron garnet，译者注：固体激光器材料）制作的光子晶体内。一个光子晶体的晶体结构尺寸与通过的光线波长相等，这种结构像一面镜子一样使光线按照特定的方向传播。

在这种情况下，研究人员制作了两种不同拓扑结构的光子晶体。其中一种有一个置于方形晶格里的星形晶胞（unit cell，重复存在以形成晶体结构的基本晶体形状）；另一种则是有圆柱形气孔的三角形晶格。Kante把它们分别比作百吉饼和椒盐卷饼，虽然它们本质上都是带孔的面包，但是不同数量的孔意味着它们在根本上是不同的形状。

在Kante的系统中，一个光子晶体位于另一个不同的光子晶体中，而两种不同晶体接触形成的界面就是激光腔。他说：“这个界面可以做成你想要的任何形状”。

随着晶体的就位，Kante接下来在上面施加磁场，这就使系统变成了一种拓扑绝缘体（topological insulator）的光学等价物，拓扑绝缘体内部由绝缘材料构成，但电能沿着材料的表面传导。2016年的诺贝尔物理学奖就颁发给了为拓扑绝缘体的发明奠定了基础的科学家，但之前研发的器件主要关注点在电流方面。在一个光子晶体拓扑绝缘体中，光线的流动被约束在晶体结构接触的表面。改变磁场信号就能改变光线发射的方向。

这个新设备的直接应用价值，是工程师能在一块芯片内更加密集地安置激光器，从而使得光通信变得更加高速。而拥有新的控制光线的技术最终可能帮助我们研发新型的光子器件，并为全光学计算机的产生铺平道路，全光学计算机将比现在的计算机更快、更节能。

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