Femtosekundno lasersko izravno upisivanje Blochovih oscilacija u optičke Floquetove rešetke

Dana 28. travnja 2024. tim prof. Shu Xuewena sa Sveučilišta za znanost i tehnologiju Huazhong (HUST), u suradnji s timom prof. Sun Xiankaia s Kineskog sveučilišta u Hong Kongu (CUHK), objavio je najnoviji napredak istraživanja Vizualno promatranje fotoničkih Floquet-Blochove oscilacije.
Blochove oscilacije su klasični fenomen koherentnog kvantnog transporta koji se očituje kao periodičke oscilacije kvantnih čestica u periodičnom potencijalnom polju pod djelovanjem primijenjene konstantne sile. Kao temeljni fizički učinak, Blochove oscilacije otkrivene su i istražene u raznim sustavima, kao što su poluvodičke superrešetke, ultrahladni atomi, spregnuti valovodni nizovi i sintetičke dimenzionalne fotonske rešetke, itd. Povezani rezultati istraživanja ne samo da promiču razvoj temeljnih istraživanja fizike, ali također pružaju nove ideje i metode za fleksibilnu manipulaciju evolucije valne funkcije. Međutim, studije o fenomenu Blochovih oscilacija uglavnom su usredotočene na statičke sustave, a fenomen Blochovih oscilacija u sustavima s periodičnim pogonom (Floquet) potrebno je dodatno dublje istražiti.

Slika 1. (a) Shema valovodnog niza femtosekundnog lasera s izravnim pisanjem. (b) Fotografija presjeka eksperimentalno pripremljenog uzorka. (c) Fotografija eksperimentalno pripremljenog uzorka s gornje strane.
Kako bi se riješio ovaj problem, ova studija istražuje fenomen Blochovih oscilacija u Froché sustavu koristeći jednodimenzionalni niz savijenih valovoda pripremljen femtosekundnim laserskim izravnim pisanjem, predlaže opću teoriju fenomena Blochovih oscilacija u optičkoj Froché rešetki i eksperimentalno vizualizira i uočava optički fenomen Froché-Blochove oscilacije. Kao što je prikazano na slici 1, putanja savijanja valovoda u nizu je kompozitna putanja koja se sastoji od kružnog savijanja superponiranog na periodično savijanje. Pod aproksimacijom večernje osi, jednadžba fluktuacije koja opisuje evoluciju prijenosa svjetlosti u ovom nizu valovoda matematički je ekvivalentna Schrödingerovoj jednadžbi koja opisuje vremenski ovisnu evoluciju elektrona u periodičnom potencijalnom polju pod djelovanjem primijenjenog električnog polja, i smjer prijenosa svjetlosti u nizu valovoda je ekvivalentan vremenskom članu u Schrödingerovoj jednadžbi. Zakrivljenost putanje savijanja valovoda smatra se ekvivalentnom silom električnog polja koja djeluje na propušteni svjetlosni val, pri čemu putanja kružnog savijanja stvara ekvivalentnu konstantnu silu električnog polja koja dovodi do Blochovih oscilacija, a trajektorija periodičkog savijanja stvara ekvivalentno periodično električno polje sila koja uvodi Frohnkeovu modulaciju. Dakle, niz valovoda omogućuje promatranje fenomena Blochovih oscilacija u optičkoj Floquetovoj rešetki.

Slika 2. (a)-(d) Eksperimentalna opažanja pri jednoj pobudi valovoda. (e)-(h) Eksperimentalna opažanja pri ekscitaciji širokim snopom.
U ovoj studiji, evolucija kontinuiranog prijenosa svjetlosnih valova u valovodnim nizovima vizualizirana je i promatrana pomoću valovodne fluorescentne mikroskopije. Slika 2 prikazuje disanje i oscilacije fenomena Blochove oscilacije u optičkoj Froquetovoj rešetki za jednostruki upad valovoda i upad širokog snopa. Kada period Floquetove modulacije nije jednak bilo kojem cijelom višekratniku perioda Blochove oscilacije, Floquetova disperzija je konstantna i jednaka nuli, a optičke Floquet-Blochove oscilacije s periodom koja je najmanji zajednički višekratnik perioda Floquetove modulacije i Blocha pojavi period oscilacije. U ostalim slučajevima Floquetova disperzija više nije jednaka 0, a prijenos svjetlosti obično karakterizira difuzna difrakcija. Osim toga, istraživači su teorijski i eksperimentalno istražili učinak Flokay modulacijskih parametara na optičke Flokay-Blochove oscilacije, otkrivajući jedinstvenu evolucijsku prirodu fenomena, uključujući fraktalna spektralna svojstva povezana s Flokay modulacijskim periodom i Flokay frakcijskim redom svojstva tuneliranja povezana s Flokay modulacijskom amplitudom.

Slika 3. (a) Fraktalna spektralna svojstva optičkih Froquet-Blochovih oscilacija. (b) Frakcijska svojstva Floquet-Blochovog tuneliranja optičkih Floquet-Blochovih oscilacija.
Vizualno promatranje optičkih Floquet-Blochovih oscilacija otkriva novi mehanizam evolucije valne funkcije, koji je od velikog značaja kako za temeljna istraživanja tako i za praktične primjene. U smislu fundamentalnog istraživanja, teorijski model i eksperimentalna platforma podupiru daljnje istraživanje novih fenomena koji proizlaze iz međuigre dizajna i modulacije Frohike-Blochovih oscilacija s binarnim rešetkama, ne-Ermovim rešetkama i optičkim nelinearnostima; a u smislu praktičnih primjena, optičke Frohike-Blochove oscilacije su u biti fenomen koherentnog prijenosa, i stoga se mogu U praktičnim primjenama, optičke Floquet-Blochove oscilacije u biti su fenomen koherentnog prijenosa, i stoga se mogu proširiti na različita istraživanja platforme kao što su sintetičke rešetke frekvencijske domene, hladni atomi, kristali prostor-vrijeme i kvantne šetnje, a očekuje se da će se koristiti za realizaciju pretvorbe frekvencije, precizna mjerenja i manipulaciju različitim prijenosom valova.