לייזרים נעולים במצב הם לייזרים מתקדמים המייצרים פולסים קצרים מאוד של אור, עם משכי זמן שנעים בין פמט-שניות לפיקו-שניות. לייזרים אלה נמצאים בשימוש נרחב לחקר תופעות אופטיות אולטרה-מהירות ולא ליניאריות, אך הם גם הוכיחו שימוש עבור יישומים טכנולוגיים שונים.
חוקרים ממכון קליפורניה של טכנולוגיה לאחרונה בחנו את הפוטנציאל של לייזרים נעולים במצבים כפלטפורמות לחקר תופעות טופולוגיות. המאמר שלהם, שפורסם ב פיזיקת טבע, מתאר את הפוטנציאל של לייזרים אלה ללימוד ומימוש פיזיקה טופולוגית חדשה שאינה הרמיטיאנית, עם יישומים פוטנציאליים שונים.
"הרעיון של ניצול חוסן טופולוגי והגנה טופולוגית עבור מכשירים פוטוניים משך תשומת לב רבה בעשור האחרון, אך אם התנהגויות כאלה יכולות לספק יתרונות מעשיים משמעותיים עדיין לא ברור", אמרה אלירזה מרנדי, המחבר הראשי של המאמר, ל-Phys.org.
"בדקנו את השאלה הזו במיוחד עבור לייזרים והתקנים פוטוניים לא ליניאריים שבהם הפונקציונליות אינה ליניארית מטבעה. אגב, גם תחום הפיזיקה הטופולוגית מתפתח סביב משחק הגומלין של טופולוגיה ואי-לינאריות והפלטפורמות הניסויות למחקרים כאלה דלילות יחסית".
מטרת המחקר האחרון של מרנדי ועמיתיו הייתה כפולה. מצד אחד, הם רצו לפתוח הזדמנויות חדשות לחקר התנהגויות טופולוגיות לא-לינאריות, ומצד שני, הם רצו להרחיב את היישום המעשי של הפיזיקה הטופולוגית בלייזרים נעולים במצב.
"מנקודת מבט ניסיונית, הפלטפורמה שלנו היא רשת תהודה מרובבת זמן, המורכבת מפולסים מסונכרנים רבים במהוד ארוך", הסביר מרנדי. "ניתן לחבר את הפולסים זה לזה בצורה ניתנת לשליטה באמצעות קווי השהיה מדויקים. זה מאפשר לנו ליצור רשת ניתנת לתכנות של מהודים בקנה מידה גדול עם גמישות משמעותית. זה לא קל בפלטפורמות אחרות".
במאמר מוקדם יותר שפורסם ב-2022, החוקרים חקרו תופעות טופולוגיות במהודים פוטוניים בקנה מידה גדול, אך במיוחד במשטר הליניארי. כחלק מהמחקר החדש שלהם, הם השתמשו באותם מהודים כדי ליישם לייזרים נעולים במצב מצמוד.
הצוות הראה שדפוס הדופק המיוצר על ידי לייזרים אלה יכול להפיק תועלת מתופעות לא הרמיטיות וטופולוגיות. בעיקרו של דבר, הם יצרו לייזר בעל חלל ארוך, רב-פולסים, נעול מצב והכניסו לתוכו קשר (כלומר, צימוד את הפולסים שלו בצורה טופולוגית).
"הגמישות של הגישה הניסיונית שלנו אפשרה לנו הן לחקור את ההצטלבות של טופולוגיה ונעילת מצבי לייזר והן לממש פיזיקה טופולוגית לא הרמיטיאנית שלא הוכחה בעבר במערכות פוטוניות", אמר מרנדי.
"לדוגמה, מצאנו שהסינרגיה בין טופולוגיה לא-הרמיטית לבין הדינמיקה הלא-לינארית של המערכת שלנו יצרה באופן ספונטני מצבי עור בלייזר הנעול שלנו. זה עומד בניגוד גמור למערכות טופולוגיות ליניאריות שאינן הרמיטיות, שבהן יש לבדוק את מצבי העור באמצעות מקור חיצוני."
עבודה אחרונה זו של מרנדי ומשתפי הפעולה שלו מדגימה את ההבטחה של לייזרים נעולים במצב לחקר פיזיקה טופולוגית שעד כה היה קשה לגשת אליהם בניסוי. בנוסף, המחקר שלהם יכול לתת השראה לשימוש בלייזרים נעולים במצב לפיתוח טכנולוגיות חישה, מחשוב ותקשורת חדשות.
יתרה מכך, בניסויים שלהם, החוקרים השתמשו בלייזר שפיתחו כדי לאשר את חוסנו של מודל מתמטי המשמש לחקר התנהגותם של חלקיקים הנעים באקראי, המכונה מודל Hatano-Nelson, כנגד לוקליזציה הנגרמת על ידי אי סדר. בעוד שמודל זה נחקר רבות בעבר, הוא עדיין לא הוכח בפלטפורמה פוטונית נעולה במצב.
"באופן ספציפי להבנה הזו, חקרנו עוד את החוסן של מודל Hatano-Nelson נגד לוקליזציה הנגרמת על ידי הפרעות וכיצד הוא עשוי לאפשר תכנון של מקורות מסרקת תדרים חזקים", אמר מרנדי. "בדרך כלל, סוג זה של חוסן נגד משהו מלווה ברגישות למשהו אחר."
במחקרים הבאים שלהם, מרנדי ועמיתיו ינסו להשתמש בגישה שלהם כדי לחקור את השימוש במודל Hatano-Nelson כחיישן עם רגישות מוגברת. בנוסף, הם מקווים שהמחקר שלהם יתן השראה לצוותים אחרים להתנסות בשימוש בלייזרים נעולים במצב כדי לחקור תופעות פיזיקליות טופולוגיות.
"אנו גם מאמינים שהפלטפורמה שלנו יכולה להוות קרקע פורייה לחקר גוף גדול של תופעות טופולוגיות לא-לינאריות ולא-הרמיטיות שאינן נגישות בקלות", הוסיף מרנדי. "דוגמה אחת כזו שאנו מתעניינים בה היא המשחק בין היווצרות סוליטון והתנהגויות טופולוגיות."