Femtosekundni laserski neposredni zapis Blochovih nihanj v optične Floquetove mreže

28. aprila 2024 je ekipa prof. Shu Xuewena na Univerzi za znanost in tehnologijo Huazhong (HUST) v sodelovanju z ekipo prof. Sun Xiankaija na kitajski univerzi v Hongkongu (CUHK) objavila najnovejši napredek raziskave Vizualno opazovanje fotoničnega Floquet-Blochova nihanja.
Blochove oscilacije so klasični koherentni kvantni transportni pojav, ki se kaže kot periodična nihanja kvantnih delcev v periodičnem potencialnem polju pod delovanjem uporabljene konstantne sile. Kot temeljni fizikalni učinek so Blochova nihanja odkrili in raziskali v različnih sistemih, kot so polprevodniške supermreže, ultrahladni atomi, sklopljeni valovodni nizi in sintetične dimenzionalne fotonske mreže itd. Povezani rezultati raziskav ne spodbujajo le razvoja temeljnih fizikalne raziskave, ampak tudi zagotavljajo nove ideje in metode za prilagodljivo manipulacijo razvoja valovne funkcije. Vendar pa so bile študije o pojavu Blochovega nihanja osredotočene predvsem na statične sisteme, pojav Blochovega nihanja v sistemih s periodičnim pogonom (Floquet) pa je treba nadalje poglobljeno raziskati.

Slika 1. (a) Shema femtosekundnega laserskega valovodnega niza z neposrednim zapisovanjem. (b) Fotografija prereza eksperimentalno pripravljenega vzorca. (c) Fotografija od zgoraj eksperimentalno pripravljenega vzorca.
Za obravnavo tega problema ta študija raziskuje pojav Blochovega nihanja v Frochéjevem sistemu z uporabo enodimenzionalnega upognjenega valovodnega niza, pripravljenega s femtosekundnim laserskim neposrednim pisanjem, predlaga splošno teorijo pojava Blochovega nihanja v optični Frochéjevi mreži ter eksperimentalno vizualizira in opazuje optični pojav Froché-Blochovega nihanja. Kot je prikazano na sliki 1, je upogibna trajektorija valovoda v nizu sestavljena trajektorija, sestavljena iz krožnega upogiba, ki je prekrit s periodičnim upogibanjem. Pod približkom večerne osi je fluktuacijska enačba, ki opisuje razvoj transporta svetlobe v tem nizu valovodov, matematično enakovredna Schrödingerjevi enačbi, ki opisuje časovno odvisen razvoj elektronov v periodičnem potencialnem polju pod delovanjem uporabljenega električnega polja in smer transporta svetlobe v nizu valovodov je enakovredna časovnemu členu v Schrödingerjevi enačbi. Ukrivljenost upogibne trajektorije valovoda se obravnava kot ekvivalentna sila električnega polja, ki deluje na prepuščeni svetlobni val, pri čemer krožna upogibna tirnica ustvarja enakovredno konstantno silo električnega polja, ki vodi do Blochovih nihanj, periodična upogibna tirnica pa ustvarja enakovredno periodično električno polje sila, ki uvaja Frohnkejevo modulacijo. Tako valovodni niz omogoča opazovanje pojava Blochovega nihanja v optični Floquetovi mreži.

Slika 2. (a)-(d) Eksperimentalna opazovanja pri vzbujanju z enim valovodom. (e)-(h) Eksperimentalna opazovanja pri vzbujanju s širokim žarkom.
V tej študiji je bil razvoj neprekinjenega prenosa svetlobnih valov v nizih valovodov vizualiziran in opazovan z uporabo valovodne fluorescenčne mikroskopije. Slika 2 prikazuje način dihanja in nihanja pojava Blochovega nihanja v optični Froquetovi mreži za vpad enojnega valovoda oziroma vpad širokega žarka. Kadar Floquetova modulacijska doba ni enaka kateremu koli celemu večkratniku Blochove oscilacijske dobe, je Floquetova disperzija konstantna in enaka nič, optična Floquet-Blochova nihanja s periodo, ki je najmanjši skupni večkratnik Floquetove modulacijske dobe in Blochove pride do obdobja nihanja. V ostalih primerih Floquetova disperzija ni več enaka 0, prepustnost svetlobe pa običajno zaznamuje difuzna difrakcija. Poleg tega so raziskovalci teoretično in eksperimentalno raziskali učinek modulacijskih parametrov Flokay na optična Flokay-Blochova nihanja, s čimer so razkrili edinstveno evolucijsko naravo pojava, vključno s fraktalnimi spektralnimi lastnostmi, povezanimi z modulacijsko periodo Flokay in frakcijskim redom Flokay lastnosti tuneliranja, povezane z amplitudo modulacije Flokay.

Slika 3. (a) Fraktalne spektralne lastnosti optičnih Froquet-Blochovih nihanj. (b) Lastnosti Floquet-Blochovega tuneliranja v frakcijskem redu optičnih Floquet-Blochovih nihanj.
Vizualno opazovanje optičnih Floquet-Blochovih nihanj razkriva nov mehanizem evolucije valovne funkcije, ki je velikega pomena tako v temeljnih raziskavah kot v praktičnih aplikacijah. Kar zadeva temeljne raziskave, teoretični model in eksperimentalna platforma podpirata nadaljnje raziskovanje novih pojavov, ki izhajajo iz medsebojnega delovanja zasnove in modulacije Frohike-Blochovih nihanj z binarnimi mrežami, ne-Ermovimi mrežami in optičnimi nelinearnostmi; in kar zadeva praktične uporabe, so optična Frohike-Blochova nihanja v bistvu koherenten transportni pojav, zato jih je mogoče V praktičnih aplikacijah optična Floquet-Blochova nihanja v bistvu koherenten transportni pojav in jih je tako mogoče razširiti na različne raziskave. platforme, kot so sintetične mreže frekvenčne domene, hladni atomi, prostorsko-časovni kristali in kvantni sprehodi, in naj bi se uporabljali za realizacijo frekvenčne pretvorbe, natančne meritve in manipulacijo različnih prenosov valov.