Plokkide võnkumiste otsekirjutamine femtosekundilise laseriga optilistes flokettivõredes

28. aprillil 2024 avaldas Huazhongi teadus- ja tehnoloogiaülikooli (HUST) prof Shu Xueweni töörühm koostöös Hongkongi Hiina ülikooli (CUHK) professor Sun Xiankai meeskonnaga uusima teadustöö edenemise Fotoonika visuaalne vaatlus. Floquet -Bloch võnkumised.
Blokivõnkumised on klassikaline koherentne kvanttranspordi nähtus, mis avaldub kvantosakeste perioodiliste võnkumistena perioodilises potentsiaaliväljas rakendatava konstantse jõu toimel. Blochi võnkumisi kui fundamentaalset füüsikalist efekti on avastatud ja uuritud erinevates süsteemides, nagu pooljuhtide supervõred, ülikülmad aatomid, sidestatud lainejuhimassiivid ja sünteetilised dimensioonilised fotoonvõred jne. Seotud uurimistulemused ei soodusta mitte ainult fundamentaalsete süsteemide väljatöötamist. füüsikauuringud, vaid pakuvad ka uusi ideid ja meetodeid lainefunktsiooni evolutsiooni paindlikuks manipuleerimiseks. Blochi võnke fenomeni käsitlevad uuringud on aga keskendunud peamiselt staatilistele süsteemidele ja perioodiliselt juhitavates (Floquet) süsteemides esinevat Blochi võnkumisnähtust tuleb põhjalikumalt uurida.

Joonis 1. (a) Femtosekundilise laseriga otsekirjutava lainejuhi massiivi skeem. (b) Foto eksperimentaalselt valmistatud proovi ristlõikest. (c) Katseliselt valmistatud proovi pealtvaates tehtud foto.
Selle probleemi lahendamiseks uurib käesolev uuring Blochi võnkumisnähtust Froché süsteemis, kasutades femtosekundilise laseriga otsekirjutamise teel valmistatud ühemõõtmelist painutatud lainejuhi massiivi, pakub välja üldise teooria Blochi võnkenähtuse kohta optilises Froché võres ning eksperimentaalselt visualiseerib jälgib optilist Froché-Blochi võnkumise nähtust. Nagu on näidatud joonisel fig 1, on massiivi lainejuhi paindetrajektoor liittrajektoor, mis koosneb ringikujulisest painutusest, mis on peale kantud perioodilisele painutamisele. Õhtuse telje lähendamise korral on valguse transpordi arengut selles lainejuhimassiivis kirjeldav kõikumiste võrrand matemaatiliselt samaväärne Schrödingeri võrrandiga, mis kirjeldab elektronide ajast sõltuvat evolutsiooni perioodilises potentsiaalväljas rakendatud elektrivälja toimel, ja valguse transpordi suund lainejuhimassiivis on võrdne ajaliikmega Schrödingeri võrrandis. Lainejuhi paindetrajektoori kõverust käsitletakse kui edastatavale valguslainele mõjuvat ekvivalentset elektrivälja jõudu, kus ringikujuline paindetrajektoor tekitab ekvivalentse konstantse elektrivälja jõu, mis viib Blochi võnkumiseni, ja perioodiline paindetrajektoor tekitab samaväärse perioodilise elektrivälja. jõud, mis tutvustab Frohnke modulatsiooni. Seega võimaldab lainejuhi massiiv jälgida Blochi võnkumise nähtust optilises Floqueti võres.

Joonis 2. (a)-(d) Eksperimentaalsed vaatlused ühe lainejuhi ergastamisel. (e)-(h) Eksperimentaalsed vaatlused laia valgusvihu ergastamisel.
Selles uuringus visualiseeriti valguslainete pideva ülekande areng lainejuhi massiivides ja vaadeldi lainejuhi fluorestsentsmikroskoopia abil. Joonisel 2 on kujutatud Blochi võnkenähtuse hingamis- ja võnkerežiimid optilises Froqueti võres vastavalt ühe lainejuhi ja laia valgusvihu korral. Kui Floquet'i modulatsiooniperiood on ebavõrdne Blochi võnkeperioodi ühegi täisarvuga, on Floquet'i dispersioon konstantne ja võrdne nulliga ning optilised Floquet-Blochi võnked perioodiga, mis on Floquet'i modulatsiooniperioodi ja Blochi väikseim ühiskordaja tekkida võnkeperiood. Ülejäänud juhtudel ei ole Floqueti dispersioon enam võrdne 0-ga ja valguse läbilaskvust iseloomustab tavaliselt hajus difraktsioon. Lisaks uurisid teadlased teoreetiliselt ja eksperimentaalselt Flokay modulatsiooniparameetrite mõju optilistele Flokay-Blochi võnkudele, paljastades nähtuse ainulaadse evolutsioonilise olemuse, sealhulgas Flokay modulatsiooniperioodiga seotud fraktaalspektriomadused ja Flokay murdosa järku. Flokay modulatsiooni amplituudiga seotud tunneli omadused.

Joonis 3. (a) Optiliste Froquet-Blochi võnkumiste fraktaalspektriomadused. (b) Optiliste Floquet-Blochi võnkumiste murdosalised Floquet-Blochi tunneliomadused.
Optiliste Floquet-Blochi võnkumiste visuaalne vaatlus paljastab uudse lainefunktsiooni evolutsiooni mehhanismi, millel on suur tähtsus nii fundamentaaluuringutes kui ka praktilistes rakendustes. Alusuuringute osas toetavad teoreetiline mudel ja eksperimentaalne platvorm uudsete nähtuste edasist uurimist, mis tulenevad Frohike-Blochi võnkumiste koosmõjust binaarvõre, mitte-Ermi võre ja optiliste mittelineaarsustega; ja praktiliste rakenduste seisukohalt on optilised Frohike-Blochi võnked oma olemuselt koherentne transpordinähtus ja seega võivad need olla. Praktilistes rakendustes on optilised Floquet-Blochi võnked sisuliselt koherentne transpordinähtus ja seega saab neid laiendada mitmesugustele uuringutele. platvormid, nagu sünteetilised sagedusdomeeni võred, külmad aatomid, aegruumi kristallid ja kvantkäigud, ning neid kasutatakse eeldatavasti sageduse muundamiseks, täppismõõtmisteks ja mitmesuguste laineülekandega manipuleerimiseks.