En fononlaser, der fungerer på et usædvanligt punkt

De grundlæggende kvanter for lys (foton) og lyd (fonon) er bosoniske partikler, der stort set adlyder lignende regler og generelt er meget gode analoger til hinanden. Fysikere har undersøgt denne analogi i nylige eksperimentelle undersøgelser af en fononlaser for at give indsigt i et længe debatteret spørgsmål om, hvordan en laser-eller mere specifikt, dens linjebredde - påvirkes, når den betjenes på et usædvanligt punkt (EP). Enestående punkter er særpræg i energifunktionerne i et fysisk system, hvor to lysformer samles (kombineres til en tilstand) for at producere usædvanlige effekter. Indtil for nylig, konceptet eksisterede hovedsageligt kun i teorien, men modtog fornyet opmærksomhed med eksperimentelle demonstrationer i optiske systemer såsom lasere og fotoniske strukturer. De eksperimentelle undersøgelser involverede systemer med paritetstidssymmetri til afbalanceret gevinst og tab af materiale, for at sikre robust lysintensitet, immun mod backscatter. Mens lukkede og tabsfrie fysiske systemer er beskrevet af hermitiske operatører i kvantefysik, systemer med åbne grænser, der udviser ekstraordinære punkter (EP'er), er ikke-hermitiske.

Eksperimentelle undersøgelser af EP vedrører hovedsageligt sådanne paritetstidssymmetriske systemer, der smart udnytter samspillet mellem gevinst og tab for at muliggøre helt nye og uventede funktioner. I et sådant konceptuelt spring, usædvanlige optiske effekter produceret i disse systemer gjorde mediet usynligt i en retning, et skridt mod næste generations optiske materialer med unikke egenskaber, der ikke ses med naturlige materialer. Sådanne begreber har indledt en intensiv forskningsindsats for at udforske ikke-hermitiske systemer både eksperimentelt og teoretisk.

Inden den første laser blev eksperimentelt demonstreret, Schawlow og Townes beregnede den grundlæggende kvantegrænse for sin linewidth; EP'er er historisk forbundet med ekstrem udvidelse af laserlinjebredden - ud over den grundlæggende Schawlow - Townes grænse. Selvom teoretiske modeller har givet en ramme til beregning af laserlinjebredde, de undlader at løse problemet direkte på EP. Eksperimentelt, det er ikke ligetil at styre en laser direkte til en EP, da fotoniske lasertilstande bliver ustabile tæt på en EP, forårsager kaotisk lasning, der fejlagtigt kunne opfattes som en ekstremt bred laserlinje.

Hvad der egentlig sker med linjebredden, når en laser opererer på en EP i praksis, har derfor været uklar indtil nu. Forståelse af de mekanismer, der er ansvarlige for udvidelse af linjebredde, muliggør laserressourcer med nye muligheder, som vi ikke havde adgang til før. Zhang et al., give en elegant ny strategi til at tackle dette problem som offentliggjort i Natur fotonik , ved at arbejde med en fononlaser frem for dens optiske (fotoniske) modstykke, at observere dets funktion på et usædvanligt tidspunkt.

I undersøgelsen, fononlasere producerer sammenhængende lydsvingninger (mekaniske vibrationer) forårsaget af optisk pumpning, et koncept, der tidligere er udviklet af Grudinin, Vahala og kolleger, med karakteristika, der er typiske for fotonlasere. I det foreliggende eksperiment, forskerne brugte et lignende optomekanisk system med to koblede silica-whispering-gallery-mode mikroresonatorer (grøn og blå). Det sammensatte phonon-lasersystem blev styret mod eller væk fra dets EP for at observere opførsel af phononlasing nær en EP.

For at observere udvidelse af linewidth, fysikerne spændte optisk den mekaniske tilstand af den eksperimentelle enhed med lys fra en afstembar laser koblet til en enkelt mikroresonator (grøn) ved hjælp af en konisk fiber. Derefter, at styre systemet mod eller væk fra dets EP, de introducerede yderligere tab til den anden mikroresonator (blå) ved hjælp af en chromovertrukket silica nanofiberspids.

Samspillet mellem gevinst og tab blev udnyttet på denne måde til at indstille en fononlaser til en EP. Phonon-lasning fortolkes som en parametrisk proces med tre bølger, hvor to bølger er optiske og den tredje bølge er akustisk eller mekanisk. Zhang et al. leverede direkte eksperimentelt bevis for at vise fuldstændig overlapning af optiske supermoder ved EP, og at EP-forbedret optisk støj kan overføres direkte til mekanisk støj, hvilket fører til den observerede linewidth -udvidelse i fononlasere.

De praktiske fordele er lette at forstå:Lydbølger formerer sig med en hastighed, der er omkring fem størrelsesordener mindre end lysets hastighed, og lydens bølgelængde er dermed tilsvarende kortere end lyset med den samme frekvens. Denne funktion kan muliggøre meget præcise, ikke -destruktive målinger og billeddannelse, samt opnå en høj koncentration af energi med fokuserede lydbølger. Det nuværende arbejde åbner nye perspektiver for forholdet mellem støj og ikke-hermitisk fysik, med potentielle applikationer inden for relaterede områder såsom signalbehandlingsteknologier. Systemet kan bruges som en on-chip fononisk enhed analog med fuldt integrerede fotoniske enheder til informationsbehandling. Mere interessant, den undersøgte platform kan udvide indsigt i ikke-hermitisk fysik ved at muliggøre påvisning og kontrol af EP'er i to-niveau eller multi-level systemer.

© 2018 Phys.org