De basisquanta van licht (foton) en geluid (fonon) zijn bosonische deeltjes die grotendeels aan vergelijkbare regels voldoen en over het algemeen zeer goede analogen van elkaar zijn. Natuurkundigen hebben deze analogie onderzocht in recente experimentele onderzoeken van een fononlaser om inzicht te geven in een langbesproken kwestie van hoe een laser - of meer specifiek, de lijnbreedte wordt beïnvloed bij gebruik op een uitzonderlijk punt (EP). Uitzonderlijke punten zijn singulariteiten in de energiefuncties van een fysiek systeem waarbij twee lichtmodi samenvloeien (samenkomen in één modus) om ongebruikelijke effecten te produceren. Tot voor kort, het concept bestond voornamelijk alleen in theorie, maar kreeg hernieuwde aandacht met experimentele demonstraties in optische systemen zoals lasers en fotonische structuren. De experimentele studies hadden betrekking op systemen met pariteit-tijdsymmetrie voor evenwichtige winst en verlies van materiaal, om een ​​robuuste lichtintensiteit te garanderen, immuun voor terugverstrooiing. Terwijl gesloten en verliesvrije fysieke systemen worden beschreven door Hermitische operatoren in de kwantumfysica, systemen met open grenzen die uitzonderlijke punten (EP's) vertonen, zijn niet-Hermitisch.

Experimentele studies van de EP hebben meestal betrekking op dergelijke pariteit-tijd symmetrische systemen die slim gebruik maken van de wisselwerking tussen winst en verlies om geheel nieuwe en onverwachte functies mogelijk te maken. In een dergelijke conceptuele sprong, ongebruikelijke optische effecten die in deze systemen werden geproduceerd, maakten het medium in één richting onzichtbaar, een stap in de richting van optische materialen van de volgende generatie met unieke eigenschappen die niet worden gezien met natuurlijke materialen. Dergelijke concepten hebben geleid tot intense onderzoeksinspanningen om niet-Hermitische systemen zowel experimenteel als theoretisch te verkennen.

Voordat de eerste laser experimenteel werd aangetoond, Schawlow en Townes berekenden de fundamentele kwantumlimiet voor zijn lijnbreedte; EP's worden van oudsher geassocieerd met extreme verbreding van de laserlijnbreedte - voorbij de fundamentele limiet van Schawlow-Townes. Hoewel theoretische modellen een raamwerk hebben verschaft om de laserlijnbreedte te berekenen, ze slagen er niet in het probleem rechtstreeks bij het EP op te lossen. Experimenteel, het is niet eenvoudig om een ​​laser rechtstreeks naar een EP te sturen, aangezien fotonische lasermodi onstabiel worden in de buurt van een EP, waardoor chaotische laserstralen ontstaan ​​die ten onrechte als een extreem brede laserlijn kunnen worden waargenomen.

Wat er in de praktijk met de lijnbreedte gebeurt als een laser op een EP opereert, is daarom tot nu toe onduidelijk gebleven. Inzicht in de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor lijnbreedteverbreding zal laserbronnen mogelijk maken met nieuwe mogelijkheden waar we voorheen geen toegang toe hadden. Zhang et al., bieden een elegante nieuwe strategie om dit probleem aan te pakken, zoals gepubliceerd in Natuurfotonica , door te werken met een fonon-laser in plaats van zijn optische (fotonische) tegenhanger, om de werking ervan op een uitzonderlijk moment te observeren.

In de studie, fonon-lasers produceren coherente geluidsoscillaties (mechanische trillingen) veroorzaakt door optisch pompen, een concept dat eerder door Grudinin is ontwikkeld, Vahala en collega's, met kenmerken die typisch zijn voor fotonenlasers. In het huidige experiment is de onderzoekers gebruikten een soortgelijk optomechanisch systeem met twee gekoppelde silica-microresonatoren in fluistergalerijmodus (groen en blauw). Het samengestelde fonon-lasersysteem werd naar of van zijn EP gestuurd om het gedrag van fonon-lasing in de buurt van een EP te observeren.

Om lijnbreedteverbreding waar te nemen, de natuurkundigen bekrachtigden de mechanische modus van het experimentele apparaat optisch met licht van een afstembare laser gekoppeld aan een enkele microresonator (groen) door middel van een taps toelopende vezel. Vervolgens, om het systeem naar of van zijn EP te sturen, ze introduceerden extra verlies aan de tweede microresonator (blauw) met behulp van een met chroom gecoate silica-nanovezeltip.

Het samenspel tussen winst en verlies werd op deze manier benut om een ​​fononlaser af te stemmen op een EP. Phononlasing wordt geïnterpreteerd als een parametrisch proces met drie golven waarbij twee golven optisch zijn en de derde golf akoestisch of mechanisch. Zhang et al. leverde direct experimenteel bewijs om volledige overlap van optische supermodes op EP aan te tonen, en dat EP-versterkte optische ruis direct kan worden overgedragen naar mechanische ruis, wat leidt tot de waargenomen lijnbreedteverbreding in fononlasers.

De praktische voordelen zijn gemakkelijk te begrijpen:geluidsgolven planten zich voort met een snelheid die ongeveer vijf ordes van grootte lager is dan de lichtsnelheid, en de golflengte van geluid is dus dienovereenkomstig korter dan die van licht met dezelfde frequentie. Deze functie kan zeer nauwkeurige, niet-destructieve metingen en beeldvorming, evenals het bereiken van een hoge concentratie van energie met gerichte geluidsgolven. Het huidige werk opent nieuwe perspectieven voor de relatie tussen geluid en niet-Hermitische fysica, met potentiële toepassingen in verwante gebieden zoals signaalverwerkingstechnologieën. Het systeem kan worden gebruikt als een on-chip phononic-apparaat, analoog aan volledig geïntegreerde fotonische apparaten voor informatieverwerking. interessanter, het bestudeerde platform kan inzichten in niet-Hermitische fysica verbreden door de detectie en controle van EP's in systemen met twee of meerdere niveaus mogelijk te maken.

© 2018 Fys.org