來自新加坡南洋理工大學和英國利茲大學的科學家和工程師創造了第一臺電驅動的「拓撲」雷射器，該雷射器能夠將光粒子繞過角落並應對設備製造中的缺陷。
電驅動半導體雷射器是當今最常見的雷射器，可用於條形碼讀取器和雷射印表機等產品、光纖通信及新興應用，例如用於自動駕駛汽車的雷射測距傳感器。但其製造過程要求非常嚴格，如果出現任何缺陷，將對雷射器的性能及功能造成很大影響。
2月12日《自然》雜誌報導的第一臺電驅動的「拓撲」雷射器，克服了這一長期存在的問題，並有望利用現有的半導體技術提升生產效率和減少浪費。通過利用理論物理學中稱為拓撲狀態的概念來完成的，以製造「拓撲雷射器」。
在1980年代，科學家發現在某些材料中流動的電子具有「拓撲特徵」，這意味著它們可以繞過拐角或缺陷流動，而不會發生散射或洩漏。2016年諾貝爾物理學獎授予了三位率先研究此類電子拓撲狀態的理論物理學家。
現在，來自新加坡南大的工程師和物理學家的跨學科團隊與利茲大學的材料科學家合作，已將這種拓撲方法應用於稱為光子的輕粒子。
南大新加坡電氣與電子工程學院首席科學家Qi Jie Wang教授表示：「由於製造和封裝過程中引入的缺陷，每批製造的雷射設備都有一部分無法發射雷射。這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要強大得多。」
在本研究中，研究人員基於由利茲大學開發的量子級聯雷射器的電驅動雷射器。利茲大學工程與物理科學學院研究與創新專業院長Giles Davies FREng教授表示：「拓撲雷射是令人著迷的基礎科學現象的一個很好的例子。應用於實際的電子設備，正如我們的研究表明的那樣，它具有改善雷射系統性能的潛力。」
為了在雷射平臺上實現拓撲狀態，NTU和利茲團隊開發了一種包含能谷光子晶體的新設計，該設計的靈感來自被稱為二維能谷電子絕緣子的電子拓撲材料。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，使其極為緊湊。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。
NTU新加坡物理與數學科學學院理論物理學家Yi Dong Chong副教授說：「光在此中循環及繞過三角形的尖角，是由於拓撲狀態的特殊特徵所致。普通的光波會被尖角阻隔，從而阻止它們順利流通。」
研究人員指出，新型拓撲量子級聯雷射器的一個有趣的功能是它發出的光為太赫茲頻率，介於電磁頻譜的微波和紅外區域之間。太赫茲光已被確定有望在傳感、照明和無線通信中得到應用。
該研究項目歷時兩年，由12名研究人員組成的跨學科團隊參與。團隊成員還包括NTU物理學家：Baile Zhang副教授，博士後研究員，論文的第一作者Yongquan Zeng博士；以及Edmund Linfield教授和高級研究員Lianhe Li博士。
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。
王教授說：「我們在這個項目中使用的設計被稱為能谷光子晶體，它不是創造拓撲狀態的唯一方法。還存在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的需求定製設計。」
2018年，以色列技術學院和美國中佛羅裡達大學的一個團隊開發了由一系列連接的光學諧振器製成的拓撲雷射器。研究人員表明，光的拓撲狀態可以在雷射陣列的角落和缺陷周圍高效傳播。但是，這種原型雷射器的缺點是比大多數半導體雷射器大得多，並且具有「光碟機動」的功能，這意味著它由另一個雷射器供電。
利茲大學的這項研究由英國工程和物理科學研究委員會資助。