研究人员展示了新型的低阈值拓扑纳米激光

拓扑激光器在最近的几年中受到了广泛的关注。它们已在不同的系统中提出并证明，例如1D晶格中的0D边界状态，2D系统中的1D边缘状态以及带边缘周围的拓扑体状态。他们中的大多数是在微观规模上发现的。

研究人员尚未探索阈值低，占地面积小和能效高的拓扑纳米激光器。一个研究小组最近提出并展示了一种新型的高阶拓扑绝缘体，该绝缘体在许多系统（例如2D光子晶体）中具有低维边界态。

一阶2D拓扑光子晶体平板中会出现1D边缘状态和0D中间间隙状态。这种局部角状态为实现拓扑纳米激光提供了一个新颖的平台。

基于二阶拐角状态设计并开发了一个拓扑纳米腔。使用理论最大值50,000可进一步提高质量因子（Q）。已经表明，拐角状态对于块状光子晶体中的缺陷具有鲁棒性。

该团队观察到了具有高自发发射耦合因子（β）和低阈值的激光行为。性能可与传统半导体激光器媲美。这表明其在拓扑纳米光子电路的广泛应用中具有巨大的潜力。

拓扑纳米腔由两种类型的光子晶体结构形成，它们具有相同的能带结构，但具有以2D Zak相为特征的不同拓扑。在体-边缘-角对应中，高度边缘化在两个边界的交点处的量化边缘偶极极化引起中间间隙0D拐角状态。

通过调整非平凡和平凡的光子晶体平板之间的间隙距离（g），可以通过更平滑的角状态空间分布来改善Q。

将具有不同参数的最新开发的拓扑纳米腔体并入具有高密度InGaAs量子点的GaAs平板中。Q随g的变化趋势与理论估算值吻合良好，由于制造缺陷，该值与理论估算值相比几乎降低了一个数量级。

Q和拐角状态的共振波长容易受到拐角附近混乱的影响。但是，体带的非平凡2D Zak相在拓扑上保护转角状态，使其对体光子晶体中的缺陷具有鲁棒性，这已通过实验证明。

在4.2 K时，该团队观察到了高性能的激光行为，其中量子点用作增益介质。β约为0.25，并且激射阈值接近1μW。

与拓扑边缘激光器的性能相比，该性能更高，尤其是阈值，与大多数拓扑边缘激光器的性能相比，阈值降低了近三个数量级。高性能是由于高Q值和小模量引起的腔内强光学限制的结果。

这项研究的结果将拓扑光子学的应用规模缩小到了纳米级。这将与拓扑纳米光子电路的创建具有极大的关系。

此外，拓扑纳米腔可以极大地改善光与物质之间的相互作用，从而促进对腔量子电动力学的研究以及在拓扑纳米光子器件中的进一步前瞻性应用。