L'auto-organizzazione si riferisce al fenomeno della risonanza collettiva in cui i singoli elementi si organizzano spontaneamente in schemi ordinati attraverso interazioni interne. Tuttavia, la caotica sincronizzazione multimodale nelle tradizionali cavità laser a semiconduttore limita le loro prestazioni nelle applicazioni pratiche. La fotonica topologica, originata dalla teoria degli stati topologici nella fisica della materia condensata, impiega "invarianti topologici" per descrivere la struttura a bande dei cristalli fotonici. Questo approccio offre un nuovo paradigma per la costruzione di stati fotonici robusti, unidirezionali e altamente localizzati.
Recentemente, un team guidato dall’accademico Zheng Wanhua dell’Istituto di semiconduttori dell’Accademia cinese delle scienze, ha pubblicato un lavoro rivoluzionario su Laser & Photonics Reviews. Hanno osservato con successo l'emissione laser auto-organizzata basata su stati marginali topologici delocalizzati, ottenendo un output laser ad alta-coerenza su larga scala. Questa innovazione risolve con precisione la contraddizione fondamentale dei laser tradizionali-il vincolo reciproco tra alta potenza e alta coerenza. -un compromesso-spesso imposto da vincoli fisici nei dispositivi convenzionali. Sfruttando il meccanismo di sincronizzazione auto-organizzante aiutato da stati limite topologici delocalizzati e dalla modulazione non-hermitiana, questa ricerca preserva sia l'elevato vantaggio di coerenza conferito dalla protezione topologica che dall'auto-organizzazione. Allo stesso tempo, espande la distribuzione dell'energia attraverso la delocalizzazione, formando in definitiva una soluzione tecnica innovativa che ottimizza sinergicamente la "coerenza-della potenza".
Figura 1 Schema dell'output laser topologico auto-organizzato e principi fondamentali
Partendo dal classico modello topologico unidimensionale Su-Schrieffer-Heeger (SSH), il team di ricerca ha sfruttato la protezione della simmetria chirale della struttura per modulare le forze di accoppiamento all'interno del reticolo SSH, ottenendo una distribuzione delocalizzata degli stati marginali topologici nello spazio reale. Allo stesso tempo, attraverso la modulazione non-hermitiana basata su strutture di elettrodi modellate, gli stati marginali topologici delocalizzati mantengono il dominio su sfondi disordinati, esibendo modelli autoorganizzanti- unici. Rispetto ai laser a cristalli fotonici di scala equivalente, questo laser topologico mostra una maggiore coerenza spaziale, con conseguenti soglie più basse, modalità di uscita spaziale più stabili e un contrasto maculato più elevato. Inoltre, espande la scala di distribuzione spaziale degli stati limite topologici e incorpora accoppiatori di sfasamento per migliorare la densità di potenza ottica in uscita.
Figura 2 Progettazione schematica di stati marginali topologici delocalizzati
Figura 3 Confronto tra laser topologico e esperimenti con cristalli fotonici su scala equivalente
Questo approccio non solo diversifica i percorsi tecnici per i laser topologici, ma si allinea anche con la tendenza della fotonica topologica che permea i chip fotonici integrati e gli emettitori ottici ad alte-prestazioni, facendo avanzare ulteriormente l'applicazione pratica della fisica topologica nella fotonica. I risultati, intitolati "Lasing auto-organizzato di stato delocalizzato abilitato da non-manipolazione hermitiana e simmetria chirale", sono stati pubblicati su Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.202501772). Il ricercatore post-dottorato Chen Jingxuan e il dottorando Tang Chenyan dell'Istituto di semiconduttori dell'Accademia cinese delle scienze sono i co-primi autori. Il giovane ricercatore Wang Mingjin e l'accademico Zheng Wanhua sono gli autori corrispondenti.
