Los láseres de modo bloqueado son láseres avanzados que producen pulsos de luz muy cortos, con duraciones que van desde femtosegundos hasta picosegundos. Estos láseres se utilizan ampliamente para estudiar fenómenos ópticos ultrarrápidos y no lineales, pero también han demostrado ser útiles para diversas aplicaciones tecnológicas.
Investigadores del Instituto de California de Tecnología Recientemente han estado explorando el potencial de los láseres de modo bloqueado como plataformas para estudiar fenómenos topológicos. Su artículo, publicado en Física de la naturaleza, describe el potencial de estos láseres para estudiar y realizar nueva física topológica no hermitiana, con diversas aplicaciones potenciales.
"La idea de utilizar robustez topológica y protección topológica para dispositivos fotónicos ha atraído una atención sustancial en la última década, pero aún no está claro si tales comportamientos pueden proporcionar beneficios prácticos sustanciales", dijo a Phys.org Alireza Marandi, autor principal del artículo.
“Hemos estado explorando esta cuestión específicamente para láseres y dispositivos fotónicos no lineales donde las funcionalidades son inherentemente no lineales. Por cierto, el campo de la física topológica también está evolucionando en torno a la interacción de la topología y la no linealidad, y las plataformas experimentales para tales exploraciones son relativamente escasas”.
El objetivo del reciente estudio de Marandi y sus colegas era doble. Por un lado, deseaban abrir nuevas oportunidades para el estudio de comportamientos topológicos no lineales y, por otro, ampliar la aplicación práctica de la física topológica en láseres de modo bloqueado.
"Desde una perspectiva experimental, nuestra plataforma es una red de resonadores multiplexados en el tiempo, que se compone de muchos pulsos sincronizados en un resonador largo", explicó Marandi. “Los impulsos se pueden acoplar entre sí de forma controlable mediante líneas de retardo precisas. Esto nos permite crear una red programable de resonadores a gran escala con una flexibilidad sustancial. Esto no es fácil en otras plataformas”.
En un artículo anterior publicado en 2022, los investigadores exploraron fenómenos topológicos en resonadores fotónicos a gran escala, pero específicamente en el régimen lineal. Como parte de su nuevo estudio, utilizaron los mismos resonadores para implementar láseres de modo bloqueado acoplados.
El equipo demostró que el patrón de pulso producido por estos láseres puede beneficiarse de fenómenos topológicos y no hermitianos. Esencialmente, crearon un láser de modo bloqueado, de múltiples pulsos y de cavidad larga e introdujeron un nudo en su interior (es decir, acoplando sus pulsos de forma topológica).
"La flexibilidad de nuestro enfoque experimental nos permitió estudiar la intersección de la topología y el bloqueo del modo láser y realizar una física topológica no hermitiana que no se había demostrado previamente en sistemas fotónicos", dijo Marandi.
“Por ejemplo, descubrimos que la sinergia entre la topología no hermitiana y la dinámica no lineal de nuestro sistema producía espontáneamente modos de piel en nuestro láser de modo bloqueado. Esto contrasta marcadamente con los sistemas topológicos lineales no hermitianos, donde los modos de la piel deben sondearse con una fuente externa”.
Este trabajo reciente de Marandi y sus colaboradores demuestra la promesa de los láseres de modo bloqueado para estudiar la física topológica a la que hasta ahora ha sido difícil acceder experimentalmente. Además, su estudio podría inspirar el uso de láseres de modo bloqueado para desarrollar nuevas tecnologías de detección, informática y comunicaciones.
Además, en sus experimentos, los investigadores utilizaron el láser que desarrollaron para confirmar la solidez de un modelo matemático utilizado para estudiar el comportamiento de partículas que se mueven aleatoriamente, conocido como modelo de Hatano-Nelson, frente a la localización inducida por desorden. Si bien este modelo ha sido ampliamente estudiado anteriormente, aún no se había demostrado en una plataforma fotónica de modo bloqueado.
"Específicamente para este descubrimiento, exploramos más a fondo la solidez del modelo Hatano-Nelson contra la localización inducida por trastornos y cómo podría permitir el diseño de fuentes de peine de frecuencia robustas", dijo Marandi. "Normalmente, a este tipo de solidez frente a algo le sigue la sensibilidad hacia otra cosa".
En sus próximos estudios, Marandi y sus colegas intentarán utilizar su enfoque para probar el uso del modelo Hatano-Nelson como sensor con sensibilidad mejorada. Además, esperan que su estudio inspire a otros equipos a experimentar con el uso de láseres de modo bloqueado para estudiar fenómenos físicos topológicos.
"También creemos que nuestra plataforma puede ser un terreno fértil para explorar una gran cantidad de fenómenos topológicos no lineales y no hermitianos que no son fácilmente accesibles", añadió Marandi. "Un ejemplo que nos interesa es la interacción entre la formación de solitones y los comportamientos topológicos".