Forskere designer ny emulator, der afslører forviklingerne af lysadfærd i komplekse systemer under udvikling

Forskere fra University of Central Florida er en del af et hold, der for første gang har afsløret forviklingerne af, hvordan lys opfører sig i avancerede dynamiske optiske systemer med konfigurationer kendt som ikke-hermitiske arrangementer.

I ikke-ermitiske systemer skaber tilladte energiværdier selvskærende overflader med en unik topologi og forgreningspunkter, som er kendt som exceptionelle punkter. Overfladerne krydser hinanden ved et snoet, markeret med et ekstraordinært punkt.

Holdet fandt ud af, at topologien af ​​en energioverflade i et ikke-ermitisk arrangement spiller mere en rolle i, hvordan lys opfører sig i et tidsudviklende system, end streng vikling omkring et exceptionelt punkt. Dette inkluderer adfærd såsom chiral tilstandsoverførsel, hvor en outputtilstand er låst til viklingsretningen, enten med eller mod uret.

Resultaterne, som for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Nature , kunne anspore udviklingen af ​​nye mekanismer til lysmanipulation og love dybtgående implikationer for teknologier såsom miniaturiserede og robuste lasere og højpræcisions lysbaserede sensorer.

Forskerne lavede deres observationer ved at bygge en ny og mangefacetteret fotonisk emulator, der gjorde det muligt for dem at overvåge udviklingen af ​​pulserende laserlys i systemet, når det langsomt varierede langs en lukket sti i nærheden af ​​et exceptionelt punkt.

"Den optiske emuleringsplatform, der blev realiseret, kan bruges til at modellere nogle af de mest forvirrende fysiske fænomener i naturen," siger studiemedforfatter Mercedeh Khajavikhan, professor i fysik og elektro- og computerteknik ved University of Southern California.

De eksperimentelle observationer udfordrer tidligere demonstrationer, men understøtter nylige teoretiske forudsigelser af Khajavikhan og studiets medforfatter Demetrios Christodoulides, Cobb Family Endowed Chair og Pegasus professor i optik ved University of Central Floridas CREOL, The College of Optics and Photonics.

Deres forudsigelser har vist, at outputtet fra et ikke-hermitisk optisk system - uanset dets input - bliver kanaliseret ind i en af ​​de to foruddefinerede tilstande, afhængigt af den retning, hvori en lukket bane foregår dynamisk i nærheden eller omkring et exceptionelt punkt .

"Andre undersøgelser har kun set på, hvad der sker i input og output af systemet," siger undersøgelsens hovedforfatter, Hadiseh Nasari, en postdoktor ved University of Southern California og UCF's CREOL, The College of Optics and Photonics, hvor arbejde blev udført. "De var ikke i stand til at se, hvad der sker i løbet af processen."

"Vores emulator er ret alsidig med hensyn til muligheden for faktisk at overvåge og grave ind i dynamikken i ikke-ermitiske systemer tæt på et exceptionelt punkt," siger hun.

Christodoulides siger, at det grundlæggende arbejde er et stort skridt i retning af at udnytte potentialet i disse systemer.

"Ved bedre at forstå den underliggende fysik af ikke-ermitiske systemer, vil vi være i stand til at konstruere de variationer af energitab og gevinst, som er nødvendige for realiseringen af ​​integrerede, men effektive og kraftfulde optiske teknologier," siger Christodoulides.

Khajavikhan bemærker de tekniske færdigheder, der var nødvendige for at udføre undersøgelsen, og de fremtidige forskningsmuligheder, den åbner.

"Dette udfordrende arbejde blev ledet af tre kvindelige postdocs og kandidatstuderende - Hadiseh, Gisela Lopez-Galmiche og Helena E. Lopez-Aviles," siger Khajavikhan. "Deres arbejde åbner nye forskningsgrænser i at bruge fotoniske platforme til at efterligne komplekse systemer. De byggede i det væsentlige en meget kraftig optisk analog computer."

Lopez-Galmiche var postdoc-forsker med CREOL, og Lopez-Aviles er uddannet fra CREOLs doktorgradsprogram. + Udforsk yderligere

Forskere finder en ny måde at opnå kvantekontrol fra tab