เลเซอร์แบบล็อคโหมดเป็นเลเซอร์ขั้นสูงที่สร้างพัลส์แสงที่สั้นมาก โดยมีระยะเวลาตั้งแต่เฟมโตวินาทีไปจนถึงพิโควินาที เลเซอร์เหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการศึกษาปรากฏการณ์ทางแสงที่เร็วและไม่เชิงเส้น แต่ยังได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์สำหรับการใช้งานทางเทคโนโลยีต่างๆ
นักวิจัยจากสถาบันแคลิฟอร์เนีย เทคโนโลยี เมื่อเร็ว ๆ นี้ได้มีการสำรวจศักยภาพของเลเซอร์ที่ล็อคโหมดเป็นแพลตฟอร์มเพื่อศึกษาปรากฏการณ์ทอพอโลยี บทความของพวกเขาตีพิมพ์ใน ฟิสิกส์ธรรมชาติสรุปศักยภาพของเลเซอร์เหล่านี้ในการศึกษาและทำความเข้าใจฟิสิกส์โทโพโลยีที่ไม่ใช่ Hermitian ใหม่ พร้อมการใช้งานที่หลากหลาย
“แนวคิดในการใช้ความทนทานเชิงทอพอโลยีและการป้องกันทอพอโลยีสำหรับอุปกรณ์โฟโตนิกได้ดึงดูดความสนใจอย่างมากในทศวรรษที่ผ่านมา แต่พฤติกรรมดังกล่าวสามารถให้ประโยชน์เชิงปฏิบัติที่สำคัญได้หรือไม่นั้นยังไม่ชัดเจน” Alireza Marandi ผู้เขียนรายงานฉบับนี้ กล่าวกับ Phys.org
"เราได้สำรวจคำถามนี้โดยเฉพาะสำหรับเลเซอร์และอุปกรณ์โฟโตนิกที่ไม่เป็นเชิงเส้นซึ่งมีฟังก์ชันการทำงานที่ไม่เป็นเชิงเส้นโดยธรรมชาติ บังเอิญว่าสาขาวิชาฟิสิกส์เชิงทอพอโลยีกำลังพัฒนาไปรอบๆ การมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างโทโพโลยีและความไม่เป็นเชิงเส้น และแพลตฟอร์มการทดลองสำหรับการสำรวจดังกล่าวก็ค่อนข้างเบาบาง”
เป้าหมายของการศึกษาล่าสุดของ Marandi และเพื่อนร่วมงานของเขาคือสองเท่า ในด้านหนึ่ง พวกเขาต้องการเปิดโอกาสใหม่ในการศึกษาพฤติกรรมทอพอโลยีแบบไม่เชิงเส้น ในขณะที่อีกด้านหนึ่ง พวกเขาต้องการขยายการประยุกต์ใช้ฟิสิกส์เชิงทอพอโลยีในทางปฏิบัติในเลเซอร์ที่ล็อคโหมด
“จากมุมมองของการทดลอง แพลตฟอร์มของเราเป็นเครือข่ายเรโซเนเตอร์แบบมัลติเพล็กซ์ตามเวลา ซึ่งประกอบด้วยพัลส์ที่ซิงโครไนซ์จำนวนมากในตัวเรโซเนเตอร์ขนาดยาว” Marandi อธิบาย “พัลส์สามารถเชื่อมต่อเข้าด้วยกันในลักษณะที่ควบคุมได้โดยใช้เส้นหน่วงเวลาที่แม่นยำ สิ่งนี้ช่วยให้เราสามารถสร้างเครือข่ายตัวสะท้อนเสียงขนาดใหญ่ที่ตั้งโปรแกรมได้และมีความยืดหยุ่นสูง นี่ไม่ใช่เรื่องง่ายในแพลตฟอร์มอื่น”
ในบทความก่อนหน้านี้ที่ตีพิมพ์ในปี 2022 นักวิจัยได้สำรวจปรากฏการณ์ทอพอโลยีในตัวสะท้อนโฟโตนิกขนาดใหญ่ แต่โดยเฉพาะในระบบเชิงเส้น เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาใหม่ พวกเขาใช้เครื่องสะท้อนเสียงเดียวกันเพื่อใช้เลเซอร์ล็อคโหมดคู่
ทีมงานแสดงให้เห็นว่ารูปแบบชีพจรที่เกิดจากเลเซอร์เหล่านี้จะได้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ที่ไม่ใช่เฮอร์มิเทียนและทอพอโลยี โดยพื้นฐานแล้ว พวกเขาสร้างเลเซอร์แบบล็อคโหมดที่มีช่องยาว หลายพัลส์ และนำปมเข้าไปข้างใน (เช่น การเชื่อมต่อพัลส์ในรูปแบบทอพอโลยี)
“ความยืดหยุ่นของแนวทางการทดลองของเราทำให้เราทั้งคู่สามารถศึกษาจุดตัดกันของโทโพโลยีและการล็อคโหมดเลเซอร์ และตระหนักถึงฟิสิกส์ทอพอโลยีที่ไม่ใช่เฮอร์มิเชียนที่ไม่เคยแสดงให้เห็นในระบบโฟโตนิกมาก่อน” Marandi กล่าว
“ตัวอย่างเช่น เราพบว่าการทำงานร่วมกันระหว่างโทโพโลยีที่ไม่ใช่ Hermitian และไดนามิกแบบไม่เชิงเส้นของระบบของเราทำให้เกิดโหมดสกินในเลเซอร์ที่ล็อคโหมดของเราอย่างเป็นธรรมชาติ สิ่งนี้แตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับระบบทอพอโลยีเชิงเส้นที่ไม่ใช่ Hermitian ซึ่งโหมดสกินจะต้องถูกตรวจสอบด้วยแหล่งภายนอก”
งานล่าสุดนี้โดย Marandi และผู้ร่วมงานของเขาแสดงให้เห็นถึงคำมั่นสัญญาของเลเซอร์แบบล็อคโหมดสำหรับการศึกษาฟิสิกส์เชิงทอพอโลยีซึ่งปัจจุบันเข้าถึงได้ยากในการทดลอง นอกจากนี้ การศึกษาของพวกเขายังสามารถสร้างแรงบันดาลใจในการใช้เลเซอร์ล็อคโหมดเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีการตรวจจับ คอมพิวเตอร์ และการสื่อสารใหม่ๆ
นอกจากนี้ ในการทดลอง นักวิจัยยังใช้เลเซอร์ที่พวกเขาพัฒนาขึ้นเพื่อยืนยันความทนทานของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ใช้ในการศึกษาพฤติกรรมของอนุภาคเคลื่อนที่แบบสุ่ม หรือที่เรียกว่าแบบจำลองฮาตาโน-เนลสัน เทียบกับการแปลเฉพาะจุดที่เกิดจากความผิดปกติ แม้ว่าโมเดลนี้จะได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางมาก่อน แต่ก็ยังไม่มีการสาธิตบนแพลตฟอร์มโฟโตนิกแบบล็อคโหมด
“โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการตระหนักรู้นี้ เราได้สำรวจเพิ่มเติมถึงความแข็งแกร่งของแบบจำลอง Hatano-Nelson กับการแปลเป็นภาษาท้องถิ่นที่เกิดจากความผิดปกติ และวิธีที่มันจะทำให้สามารถออกแบบแหล่งสัญญาณหวีความถี่ที่แข็งแกร่งได้” Marandi กล่าว “โดยทั่วไปแล้ว ความแข็งแกร่งแบบนี้ต่อบางสิ่งจะตามมาด้วยความอ่อนไหวต่อสิ่งอื่น”
ในการศึกษาครั้งต่อไป Marandi และเพื่อนร่วมงานของเขาจะพยายามใช้วิธีการตรวจสอบการใช้แบบจำลอง Hatano-Nelson เป็นเซ็นเซอร์ที่มีความไวเพิ่มขึ้น นอกจากนี้พวกเขาหวังว่าการศึกษาของพวกเขาจะเป็นแรงบันดาลใจให้ทีมอื่นทดลองการใช้เลเซอร์ล็อคโหมดเพื่อศึกษาปรากฏการณ์ทางกายภาพเชิงทอพอโลยี
“เรายังเชื่อด้วยว่าแพลตฟอร์มของเราสามารถเป็นพื้นที่อุดมสมบูรณ์สำหรับการสำรวจปรากฏการณ์ทอพอโลยีแบบไม่เชิงเส้นและไม่ใช่เฮอร์มิเทียนจำนวนมากที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ง่าย” Marandi กล่าวเสริม “ตัวอย่างหนึ่งที่เราสนใจคือการทำงานร่วมกันของการก่อตัวของโซลิตันและพฤติกรรมทอพอโลยี”