Visuel observation af fotoniske Floquet-Bloch-oscillationer

For nylig har udforskningen af ​​Bloch-oscillationer (BO'er) i periodisk drevne kvantesystemer, svarende til "Floquet-systemer", trukket enorm opmærksomhed, fordi deres eksotiske egenskaber er dybt forskellige fra dem i statiske systemer. Specifikt er to typer Bloch-lignende svingninger blevet undersøgt:kvasi-Bloch-oscillationer (QBO'er) og super-Bloch-oscillationer (SBO'er).

Imidlertid er den iboende forbindelse mellem disse eksisterende BO'er i Floquet-systemer stadig uhåndgribelig, og en generel teori om BO'er i Floquet-systemer skal udvikles. Ydermere, som en nøgle til at optrevle mekanismen for den underliggende transport, forbliver visuel observation af BO'er i Floquet-systemer stort set uudforsket i eksperimenter.

I et papir udgivet i Light:Science &Applications , et team af videnskabsmænd ledet af professor Xuewen Shu fra Huazhong University of Science and Technology, Kina, og professor Xiankai Sun fra The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong SAR, Kina har generaliseret Bloch-oscillationerne til fotoniske Floquet-gitter.

Dette førte til de "fotoniske Floquet-Bloch-oscillationer (FBO'er)," som refererer til reskalerede fotoniske Bloch-oscillationer med en periode med forlænget mindste fælles multiplum af modulationsperioden og Bloch-oscillationsperioden. De fotoniske FBO'er forekommer for vilkårlig Floquet-modulation, når det rationelle forhold mellem Floquet-modulationsperioden og Bloch-oscillationsperioden er ikke-heltal. Under denne ramme kan de konventionelle QBO'er og SBO'er nu forenes og behandles som to særlige tilfælde af FBO'er.

Ved at anvende bølgelederfluorescensmikroskopi visualiserede de direkte vejrtrækningen og oscillerende bevægelser af fotoniske FBO'er i femtosekund-laser-skrevne bølgelederarrays. Det er væsentligt, at de eksperimentelt undersøgte to eksotiske egenskaber ved fotoniske FBO'er, nemlig fraktalspektret og fraktioneret Floquet-tunneling.

Med denne indsigt foreslog de, at fotoniske FBO'er udgør et unikt transportfænomen i sig selv, ud over at være en generalisering af de eksisterende BO'er i Floquet-systemer.

For at visualisere Bloch-oscillationerne i et fotonisk Floquet-gitter overvejede de en række cirkulære bøjede optiske bølgeledere med en periodisk modulering.

Den rumlige udvikling af lys med lav effekt i det foreslåede gitter er analog med den tidsmæssige udvikling af ikke-interagerende elektroner i et periodisk potentiale underlagt et elektrisk felt. Udbredelseskoordinaten z fungerer som "tid", og krumningen af ​​bølgeledere opfattes som en effektiv elektrisk feltkraft, der virker på lysbølger. Den cirkulære bøjningsbane introducerer en konstant elektrisk feltkraft, der er ansvarlig for BO'er.

Den periodiske bøjningsbane introducerer en periodisk elektrisk feltkraft, som tjener som Floquet-modulationen. Derfor kan det foreslåede gitter understøtte en eksperimentel realisering af Bloch-oscillationer i et fotonisk Floquet-gitter. I eksperimenterne implementerede de excitation af synligt lys med en He-Ne-laser (633 nm) og fangede fluorescerende signaler (650 nm) udsendt fra bølgelederne.

Det fluorescerende signal fra oven registrerer de indviklede detaljer i kontinuumudviklingen, hvilket muliggør nøjagtig kvantitativ analyse. For både enkeltsteds- og bredstråle-excitationer har de visuelle observationer af BO'er i fotoniske Floquet-gitter og de tilsvarende kvantitative analyser fremragende overensstemmelse med de respektive simulerede resultater.

Fotoniske Floquet-Bloch-oscillationer er i det væsentlige et sammenhængende fænomen, der let kan udvides til forskellige fysiske systemer såsom ultrakolde atomer, syntetiske frekvensgitre og kvantevandringer. Den visuelle observation af fotoniske FBO'er er en nøgle til at forstå den underliggende transportmekanisme, som har en betydelig indvirkning på både grundlæggende forskning og praktiske anvendelser.

Til grundforskning muliggør den enkle visualisering af fænomenet og den høje kontrol af den fremstillede struktur yderligere udforskning af en gren af ​​fundamentale fænomener, der involverer FBO'er, såsom samspillet mellem FBO'er og binære gitter, ikke-hermitiske gitter og optisk ikke-linearitet.

Til praktiske anvendelser kan den demonstrerede manipulation af optiske bølger implementeres i forskellige bølgesystemer og kan give ny indsigt i brede applikationer inden for bølgemanipulation, signalbehandling, højeffektiv frekvenskonvertering og præcisionsmåling.

Flere oplysninger: Zhen Zhang et al., Visuel observation af fotoniske Floquet-Bloch-oscillationer, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01419-z

Leveret af Chinese Academy of Sciences