生在边缘的量子级联激光器

被称为量子级联激光器的设备能产生有用的太赫兹辐射，但通常对制造缺陷高度敏感。这个限制现在目前已经被一种叫做拓扑鲁棒性的特性所克服。
       频率在太赫兹范围(300千兆赫到10千赫兹)的电磁波在许多领域都有应用，从成像和安全扫描到大气和生物科学。被称为量子级联激光器(QCLs)的半导体器件提供了产生太赫兹辐射的最紧凑和有效的方法。在QCLs中，电子通过一系列离散的量子能级以能量级联下来，在每一步1发射一个光子。但是，正如所有的半导体激光器一样，QCLs对制造缺陷非常敏感，这导致了激光器输出频率在设备之间的可变性。近日，来自美国马里兰大学的研究人员们在《自然》杂志上撰文，报告了一种对这种无序不敏感的太赫兹QCL的实现。这一成就为太赫兹激光和光电子学打开了大门，使其具有前所未有的稳定性和制造再现性。
        激光器使用一种被称为光反馈的过程来增强光强度，并刺激电子发射光子。引入这种反馈的一般常见方法是使用一种被称为光学腔谐振的结构，它通常由将发出的光反射回设备的反射镜组成。然而，小型激光器使用更复杂的结构，如光子晶体，这是一种折射率周期性变化的材料。如果仔细设计这种周期性，光子晶体就可以用来反射特定频率的光波，从而实现激光放大。但这种方法对无序非常敏感，因为光子晶体中的任何缺陷都会引起反射，导致不必要的频率波。这些与期望的波竞争，导致不稳定的光强度和较差的激光效率。 在过去的几年里，“拓扑”光子结构已经成为一种制造对无序不敏感的光子器件的方法。这一研究领域起源于凝聚态物理学中发展起来的概念。在过去的二十年里，凝聚态物理学家已经能够使用数学描述的对称性和拓扑结构来描述不同形式的物质。与当前工作特别相关的是称为拓扑绝缘体的外来材料。顾名思义，这些材料是绝缘体，也就是说，它们的内部不导电。然而，它们在它们的边界处有导电的电子态。这样的边缘状态只能在一个方向上携带电流，因此对无序状态具有鲁棒性，否则会分散电荷载体。这种边缘状态的鲁棒性是材料整体拓扑特性的表现。拓扑绝缘体对无序非常不敏感，因此它们以前被用来定义电阻的单位:欧姆。
       虽然拓扑物理学起源于电子领域，但它已被用于激发光子。无序和散射在光学领域比在电子学领域更成问题，因为光子表现出强烈的干涉效应，可能会使激光器出现复杂、难以控制的情况。将拓扑保护转化到光学领域，为制造鲁棒光学系统开辟了可能。特别是，拓扑激光器可以以一种抗散射、抗其他缺陷后果的方式发光。但是先前认为拓扑激光器工作在太赫兹范围以上的频率。
       研究人员们通过将拓扑保护合并到一个QCL中来克服这个限制。为了实现这一目标，他们使用了一种被称为山谷霍尔效应的拓扑模型，该模型依赖于打破晶格的空间反转对称性(它在180°旋转和镜面反射组合下的对称性)。具体地说， 研究人员使用了砷化镓-铝镓砷化镓衬底作为增益材料-光被放大的介质。这种衬底包含被称为量子阱的层状半导体结构，其设计目的是支持量子级联激光发射。
       研究人员们在增益材料上钻了一个三角形的孔晶格(图1)。该晶格的对称性导致能量-动量带结构中出现了两个谷，即光子在材料中的能量和动量之间的关系。他们使孔洞近似六边形，从而打破了晶格的空间反转对称性，使两个谷在拓扑上不相等。这导致了拓扑边缘状态的形成在两个这样的晶格之间的界面，其中的孔(和谷)的方向相对于另一个晶格翻转在一个晶格上。
       研究人员们使用这些拓扑边缘状态以三角形的形式设计制造了一个稳健的环谐振器(一种光学谐振腔使光被限制在特定的共振频率上) 如图1所示。正是这个三角形腔形成一个拓扑激光器，其中衬底材料提供光放大。激光器产生的许多频率的光被相同的频率间隔隔开。这些频率对应于三角形谐振腔的谐振频率，并落在QCL增益材料的频率范围内。
       研究人员们测量了腔周不同点的光发射，发现每个点的发射具有相同的共振频率。这表明这些波通过穿过三角形角上的急弯(60°)穿越空腔。此外，他们发现当激光以额外的空穴的形式在腔体周围引入缺陷时，激光频率并没有改变，这说明了QCL的鲁棒性。 这种激光的另一个关键特征是，能量是通过电“泵”入设备的。以前的拓扑激光器是光泵浦的，这意味着它们需要第二个激光源来驱动拓扑激光器产生光。这种泵浦方案严重限制了实际应用。然而，与许多常用的激光器(如激光笔)类似，而这种QCL可以直接由电流驱动，原则上可以由电池或墙上的插座供电，而不是由另一束激光。
       对缺陷和无序的鲁棒性是拓扑物理的一个定义特性，但另一个重要特性是一种称为手性的不对称。特别地，在山谷霍尔效应中，这两个谷与材料平面上相反圆偏振的光子有关。如果右圆偏振光子向左运动，那么左圆偏振光子就向右运动。实现这种手性是迈向太赫兹拓扑激光器的关键一步，在太赫兹拓扑激光器中，光波沿环形谐振器的一个方向流动。这种手性可以通过明确打破时间反转对称性(这种对称性中，反转光波的方向等同于反向运行时间)或在腔中引入定向光放大来实现。 这项研究结果为研究电磁波谱中以前无法接触到的拓扑结构铺平了道路。
       未来研究的一个重要领域是其他拓扑模型的应用，如奇异(高阶)拓扑绝缘体，以制造具有其他几何形状的鲁棒太赫兹激光器。例如，这些激光器可以在三角形腔体的角落而不是边缘发出光。 另一个迷人的前景是探索非厄米物理系统在太赫兹频段,光放大和损失的存在可以导致出现的特性,比如奇偶校验时间对称(对称的组合镜反射和时间反转)和特殊点(对应于合并共振光谱特性)。在太赫兹范围内实现拓扑光子学可以作为开发实用器件的催化剂，也可以使人们更好地理解拓扑物理和复杂(非线性)光电子学。

图1拓扑激光器的设计