Künstlerische Darstellung eines topologischen Lasers, bestehend aus 30 gekoppelten oberflächenemittierenden Lasern. Alle Mikrolaser entlang einer topologischen Grenzfläche (blau) verhalten sich wie ein Laser und strahlen gemeinsam kohärentes Laserlicht aus (rot). (Bild: Pixelwg, Christian Kroneck)
Israelische und deutsche Forscherinnen und Forscher des Exzellenzclusters ct.qmat haben ein topologisches Lasernetzwerk in Sandkorngröße entwickelt. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.
Israelische und deutsche Forscher:innen haben eine Methode entwickelt, um ein Netzwerk oberflächenemittierender Laser dazu zu bringen, wie ein einziger Laser zu agieren - als hocheffektives Lasernetzwerk von der Größe eines Sandkorns. Die Forschungergebnisse wurden heute in der renommierten Fachzeitschrift Science online veröffentlicht.
Mobiltelefone, Autosensoren und die Datenübertragung in Glasfasernetzen - Mikrolaser, sogenannte Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL), sind in unserer Alltagstechnologie bereits fest verankert. Obwohl sie weit verbreitet sind, haben VCSEL-Bauelemente typischerweise eine winzige Größe von nur wenigen Mikrometern. Das setzt der Ausgangsleistung, die sie erzeugen können, enge Grenzen. Seit Jahren versuchen Wissenschaftler vergeblich, die Leistung solcher Geräte zu erhöhen, indem sie viele winzige VCSEL kombinieren - mit dem Ziel, wie ein einziger kohärenter Laser zu agieren. Der aktuelle Durchbruch beruht auf einem anderen Konzept: Es wird eine einzigartige geometrische Anordnung von Lasern auf einem Chip verwendet - eine photonische topologische Isolatorplattform.
Von topologischen Isolatoren zu topologischen Lasern
Topologische Isolatoren sind revolutionäre Quantenmaterialien, die in ihrem Inneren isolierend sind, aber auf ihrer Oberfläche Elektrizität leiten - ohne Verluste. Vor einigen Jahren hat die Gruppe vom Technionunter der Leitung von Mordechai Segev diese innovativen Ideen in die Photonik eingeführt. In der Folge konnten die Forscher:innen den ersten photonischen topologischen Isolator demonstrieren, bei dem nicht Strom sondern Licht um den Rand einer zweidimensionalen Anordnung von Wellenleitern wandert - ganz ohne durch Defekte oder Unordnung beeinträchtigt zu werden.
Damit wurde ein neues Forschungsgebiet eröffnet, das heute als "Topologische Photonik" bekannt ist und an dem derzeit hunderte Arbeitsgruppen weltweit forschen. Im Jahr 2018 fand dieselbe israelische Gruppe auch einen Weg, die Eigenschaften photonischer topologischer Isolatoren so zu arrangieren, dass sich viele Mikroringlaser zusammenschließen und wie ein einziger Laser arbeiten. Aber auch bei diesem System gab es ein Problem: Das Licht zirkulierte in dem photonischen Chip und war auf dieselbe Ebene beschränkt, die für die Extraktion des Lichts nach außen verwendet wurde. Das bedeutete, dass das gesamte System wiederum durch den sogenannten Ausgangskoppler in seiner Leistung begrenzt war, so als hätte man nur eine einzige Steckdose für ein ganzes Kraftwerk. Der aktuelle Durchbruch beruht auf einem anderen Schema: Die Laser sind gezwungen, innerhalb des planaren Chips aneinander zu koppeln - das Licht wird also von jedem winzigen Laser durch die Oberfläche des Chips ausgestrahlt und kann leicht gesammelt werden.
Der lange Weg zu neuen topologischen Lasern
"Es ist faszinierend zu sehen, wie sich die Wissenschaft weiterentwickelt", sagt Segev vom Technion. "Wir sind von grundlegenden physikalischen Konzepten zu grundlegenden Veränderungen gekommen und jetzt bei einer echten Technologie angelangt, die von Unternehmen verfolgt wird. Als wir 2015 begannen, an topologischen Lasern zu arbeiten, hat niemand geglaubt, dass das möglich ist. Die damals bekannten topologischen Konzepte waren auf Systeme beschränkt, die eigentlich keine Verstärkung haben konnten. Verstärkung ist aber etwas, das alle Laser benötigen. Topologische Laser standen also im Widerspruch zu allem, was damals bekannt war. Wir waren wie ein Haufen Verrückter, die nach etwas suchten, das als unmöglich galt. Und jetzt haben wir einen großen Schritt in Richtung einer echten Technologie gemacht, die viele Anwendungen hat".
Das israelische und deutsche Team hat einen Weg gefunden, die Konzepte der topologischen Photonik mit VCSEL-Mikrolasern zu nutzen. Diese Laser strahlen das Licht durch ihre Oberfläche ab, während der topologische Prozess, der für die gegenseitige Kohärenz verantwortlich ist, in der Ebene des Chips stattfindet. Das Endergebnis ist ein leistungsstarker, aber sehr kompakter und effizienter Laser, der in der Anzahl der Laserelemente nicht begrenzt ist und nicht durch Defekte oder Temperaturschwankungen beeinträchtigt wird.
"Das topologische Prinzip dieses Lasers kann grundsätzlich für alle Wellenlängen und damit eine Reihe von Materialien funktionieren", erklärt der deutsche Projektleiter Prof. Sebastian Klembt von der Universität Würzburg, der im Rahmen des Exzellenzclusters ct.qmat - Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien an der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie und topologischer Photonik forscht. "Wie viele Mikrolaser genau angeordnet und verschaltet werden müssen, hängt immer ganz von der möglichen Anwendung ab. Wir können die Größe des Lasernetzwerks im Prinzip sehr weit ausdehnen. Es ist toll zu sehen, dass die Topologie, ursprünglich ein Zweig der Mathematik, sich zu einem revolutionären neuen Werkzeugkasten für die Kontrolle, Steuerung und Verbesserung der Lasereigenschaften entwickelt hat."
Die Forschungsarbeiten haben zum ersten Mal gezeigt, dass es tatsächlich theoretisch und experimentell möglich ist, VCSEL-Laser zu kombinieren, um einen robusteren und hocheffizienten Laser zu erhalten. Damit ebnen die Ergebnisse der Studie den Weg für eine Reihe künftiger Technologien im Bereich medizinischer Geräte, Kommunikation und einer Vielzahl von Anwendungen in der Praxis.
Umstände und Beteiligte
Diese deutsch-israelische Forschungsarbeit von Forscher:innen des Exzellenzclusters ct.qmat ist vor allem während der Corona-Pandemie entstanden. Ohne das enorme Engagement der beteiligten Forscher:innen wäre dieser wissenschaftliche Meilenstein nicht möglich gewesen. Die Forschung wurde maßgeblich von dem Doktoranden Alex Dikopoltsev aus dem Team von Mordechai Segev vom Fachbereich Physik und dem Fachbereich Electrical & Computer Engineering am Technion - Israel Institute of Technology und dem Doktoranden Tristan H. Harder aus dem Team von Sebastian Klembt und Sven Höfling am Lehrstuhl für Technische Physik der Universität Würzburg und dem Exzellenzcluster ct.qmat - Complexity and Topology in Quantum Matter in Zusammenarbeit mit Forschern aus Jena und Oldenburg durchgeführt. Für die Herstellung der neuartigen Laser konnte auf die hervorragenden Reinraumanlagen des Gottfried-Landwehr-Labors für Nanotechnologie an der Universität Würzburg zurückgegriffen werden.
Publikation
Alex Dikopoltsev, Tristan H. Harder, Eran Lustig, Oleg A. Egorov, Johannes Beierlein, Adriana Wolf, Yaakov Lumer, Monika Emmerling, Christian Schneider, Sven Höfling, Mordechai Segev, Sebastian Klembt, Topological insulator vertical-cavity laser array, Science 373, 1514-1517 (2021) - 24 September 2021. https://doi.org/10.1126/science.abj2232
Das Exzellenzcluster ct.qmat - Complexity and Topology in Quantum Matter (Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien) wird seit 2019 gemeinsam von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und der TU Dresden getragen. Die Forschungsallianz ist eng verzahnt mit den Arbeitsgruppen von Alexander Szameit in Rostock, Prof. Moti Segev in Haifa, Israel und der Spitzenforschung von fünf großen außeruniversitären Instituten. Mehr als 270 Wissenschaftler:innen aus 33 Ländern und von vier Kontinenten erforschen in der Forschungsallianz ct.qmat topologische Quantenmaterialien, die unter extremen Bedingungen wie ultratiefen Temperaturen, hohem Druck oder starken Magnetfeldern Überraschende Phänomene offenbaren. Das Exzellenzcluster wird im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert.
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