Obserwacje oscylacji super-Blocha dla impulsów optycznych w sieci czasowej utworzonej przez dwie sprzężone pętle światłowodowe, które wykazują załamanie ze zanikającą amplitudą oscylacji pod określoną siłą napędową. Źródło: Xinyuan Hu (Uniwersytet Nauki i Technologii Huazhong
Badacze osiągają postępy w okresowych oscylacjach i transporcie impulsów optycznych, co może potencjalnie skutkować komunikacją optyczną nowej generacji i przetwarzaniem sygnałów.
Naukowcy osiągnęli znaczący postęp w fizyce fal, przeprowadzając eksperymenty z oscylacjami Super-Blocha (SBO), które wykazują potencjał manipulowania impulsami optycznymi. Stosując zarówno pola elektryczne prądu stałego, jak i prawie odstrojone pola elektryczne prądu przemiennego, nie tylko po raz pierwszy zaobserwowali załamanie SBO, ale także rozszerzyli te oscylacje na sytuacje napędzania fal arbitralnych, torując drogę innowacyjnym technologiom komunikacji optycznej.
Fizyka fal i oscylacje super-Blocha
Pełna spójna kontrola transportu i lokalizacji fal jest od dawna poszukiwanym celem badań w dziedzinie fizyki fal, które obejmują wiele różnych dziedzin, od fizyki ciała stałego po fizykę fal materii i fotonikę. Jednym z najważniejszych i najbardziej fascynujących efektów transportu spójnego są oscylacje Blocha (BO), które odnoszą się do okresowego ruchu oscylacyjnego elektronów w ciałach stałych pod polem elektrycznym napędzającym prąd stały (DC). Oscylacje Super-Blocha (SBO) to gigantyczne ruchy oscylacyjne uzyskiwane poprzez jednoczesne zastosowanie odstrojonych pól elektrycznych napędzających prąd stały i przemienny. Uważane za wzmocnione wersje BO, SBO poświęcają mniej uwagi niż zwykłe BO, głównie dlatego, że ich obserwacje eksperymentalne są trudniejsze i wymagają znacznie dłuższego czasu koherencji cząstek.
Unikalną cechą SBO jest istnienie spójnego hamowania oscylacji poprzez efekt renormalizacji zasilania prądem przemiennym, który objawia się lokalizacją wzoru oscylacji ze zanikającą amplitudą oscylacji. To interesujące zjawisko, nazwane „upadkiem” SBO, zwykle występuje w silnym reżimie jazdy na prąd przemienny, którego nie udało się osiągnąć we wcześniejszych eksperymentach z SBO opartymi na systemach elektronicznych i innych. Wszystkie obecne badania teoretyczne i eksperymentalne dotyczące SBO ograniczają się do najprostszych przypadków sinusoidalnego sterowania prądem przemiennym, zatem załamanie się SBO w bardziej ogólnych formatach sterowania prądem przemiennym oraz możliwość wykorzystania SBO do elastycznej manipulacji spójną falą również pozostają niezbadane.
Symulowane i zmierzone wyniki SBO w fotonicznych sieciach czasowych. (a) Amplituda oscylacji SBO ASBO jako funkcja amplitudy prądu przemiennego Ew i odstrojenia częstotliwości odwrotnej 1/d. (b) Okres oscylacji SBO MSBO jako funkcja odstrojenia częstotliwości odwrotnej 1/d. Wstawiony rysunek przedstawia MSBO jako funkcję d. (c) Początkowa faza oscylacji SBO w funkcji początkowego pędu Blocha k dla Ew = 1,8, N = 1, j = p/2 i d = p/150. (d)-(g) Zmierzone zmiany intensywności impulsów dla Ew = 1,8, 3, 3,8 i 5,3 poniżej d = p/150. (h) Eksperymentalna ewolucja intensywności impulsu dla Ew = 5,3 i d = p/90. Źródło: Hu i in., doi 10.1117/1.AP.6.4.046001
Przełomowe eksperymenty dotyczące oscylacji Super-Blocha
W niedawnym badaniu naukowcy z Narodowego Laboratorium Optoelektroniki w Wuhan i Szkoły Fizyki, Uniwersytetu Naukowo-Technologicznego w Huazhong (HUST) i Politechniki w Mediolanie postanowili zająć się tymi problemami. Jak podano w Zaawansowana fotonika, łącząc w syntetycznej siatce czasowej zarówno pole elektryczne napędzane prądem stałym, jak i prawie odstrojone pole elektryczne napędzające prąd przemienny, badaczom udało się osiągnąć SBO aż do reżimu silnego wymuszania. Po raz pierwszy zaobserwowali efekt załamania SBO i rozszerzyli SBO na sytuacje wywoływania fali arbitralnej.
Dzięki elastycznej kontroli wynikającej z dostosowywania syntetycznych pól elektrycznych prądu stałego i przemiennego badacze obserwują cechy zanikającej amplitudy oscylacji i zmiany kierunku początkowych oscylacji przy określonych amplitudach jazdy, wykazując wyraźne oznaki załamania się SBO. W przypadku sinusoidalnego sterowania prądem przemiennym pokazują, że gdy stosunek amplitudy do częstotliwości pola zasilania prądem przemiennym przyjmuje pierwiastek z funkcji Bessela pierwszego rzędu, następuje załamanie SBO, objawiające się całkowitym zahamowaniem oscylacji zanikającym amplitudy oscylacji, a także odwrócenie początkowego kierunku oscylacji poprzez przekroczenie punktu załamania.
Perspektywy na przyszłość w komunikacji optycznej
Charakterystyczne cechy szybkiego wahania SBO i załamania się SBO zostały również przeanalizowane na podstawie widma Fouriera wzorców oscylacji. Uogólniając SBO z formatu sterowania sinusoidalnego na format sterowania falą arbitralną, badacze zaobserwowali również uogólnione SBO z przestrajalnymi warunkami załamania. Wreszcie, w raporcie wykorzystano funkcję odwracania kierunku oscylacji do projektowania przestrajalnych routerów i rozdzielaczy wiązek czasowych.
Według korespondenta Stefano Longhi, profesora Politechniki w Mediolanie: „W tej pracy realizowane są okresowe oscylacje i transport impulsów optycznych, które mogą również znaleźć szerokie zastosowanie we wszechstronnym sterowaniu wiązką czasową w kierowaniu, rozdzielaniu i lokalizacji światła generacji komunikacji optycznej i przetwarzania sygnałów.”
Odniesienie: „Obserwowanie załamania się oscylacji super-Blocha w silnie napędzających fotonicznych sieciach czasowych”: Xinyuan Hu, Shulin Wang, Chengzhi Qin, Chenyu Liu, Lange Zhao, Yinglan Li, Han Ye, Weiwei Liu, Stefano Longhi, Peixiang Lu i Bing Wang, 2 lipca 2024 r., Zaawansowana fotonika.
DOI: 10.1117/1.AP.6.4.046001
