Wetenschap
Visuele observatie van fotonische Floquet-Bloch-oscillaties
Onlangs heeft de verkenning van Bloch-oscillaties (BO's) in periodiek aangestuurde kwantumsystemen, gelijkwaardig aan 'Floquet-systemen', enorme aandacht getrokken omdat hun exotische kenmerken diepgaand verschillen van die in statische systemen. Concreet zijn er twee soorten Bloch-achtige oscillaties onderzocht:quasi-Bloch-oscillaties (QBO's) en super-Bloch-oscillaties (SBO's).
De inherente verbinding tussen deze bestaande BO's in Floquet-systemen blijft echter ongrijpbaar, en er moet een algemene theorie over BO's in Floquet-systemen worden ontwikkeld. Bovendien blijft visuele observatie van BO's in Floquet-systemen, als sleutel tot het ontrafelen van het mechanisme van het onderliggende transport, grotendeels onontgonnen in experimenten.
In een artikel gepubliceerd in Light:Science &Applications heeft een team van wetenschappers onder leiding van professor Xuewen Shu van de Huazhong Universiteit voor Wetenschap en Technologie, China, en professor Xiankai Sun van de Chinese Universiteit van Hong Kong, Hong Kong SAR, China de Bloch-oscillaties gegeneraliseerd naar fotonische Floquet-roosters.
Dit leidde tot de "fotonische Floquet-Bloch-oscillaties (FBO's)" die verwijzen naar opnieuw geschaalde fotonische Bloch-oscillaties met een periode van verlengd kleinste gemene veelvoud van de modulatieperiode en de Bloch-oscillatieperiode. De fotonische FBO's komen voor bij willekeurige Floquet-modulatie wanneer de rationale verhouding van de Floquet-modulatieperiode tot de Bloch-oscillatieperiode niet geheel getal is. Binnen dit raamwerk kunnen de conventionele QBO's en SBO's nu worden verenigd en behandeld als twee speciale gevallen van FBO's.
Door gebruik te maken van golfgeleiderfluorescentiemicroscopie visualiseerden ze direct de ademhaling en oscillerende bewegingen van fotonische FBO's in femtoseconde-lasergeschreven golfgeleiderarrays. Het is veelbetekenend dat ze experimenteel twee exotische eigenschappen van fotonische FBO's hebben onderzocht, namelijk het fractale spectrum en fractionele Floquet-tunneling.
Met dit inzicht suggereerden ze dat fotonische FBO's op zichzelf een uniek transportfenomeen vormen, naast een generalisatie van de bestaande BO's in Floquet-systemen.
Om de Bloch-oscillaties in een fotonisch Floquet-rooster te visualiseren, overwogen ze een reeks cirkelvormige buigende optische golfgeleiders met een periodieke modulatie.
De ruimtelijke evolutie van licht met laag vermogen in het voorgestelde rooster is analoog aan de temporele evolutie van niet-interagerende elektronen in een periodiek potentieel onderworpen aan een elektrisch veld. De voortplantingscoördinaat z fungeert als "tijd" en de kromming van golfgeleiders wordt waargenomen als een effectieve elektrische veldkracht die op lichtgolven inwerkt. Het cirkelvormige buigtraject introduceert een constante elektrische veldkracht die verantwoordelijk is voor BO's.
Het periodieke buigtraject introduceert een periodieke elektrische veldkracht, die dient als de Floquet-modulatie. Daarom kan het voorgestelde rooster een experimentele realisatie van Bloch-oscillaties in een fotonisch Floquet-rooster ondersteunen. In de experimenten implementeerden ze excitatie met zichtbaar licht door een He-Ne-laser (633 nm) en registreerden ze fluorescerende signalen (650 nm) uitgezonden door de golfgeleiders.
Het fluorescerende signaal van bovenaf registreert de ingewikkelde details van de continuüm-evolutie, wat nauwkeurige kwantitatieve analyse mogelijk maakt. Voor zowel single-site als wide-beam excitaties komen de visuele waarnemingen van BO's in fotonische Floquet-roosters en de bijbehorende kwantitatieve analyses uitstekend overeen met de respectieve gesimuleerde resultaten.
Fotonische Floquet-Bloch-oscillaties zijn in wezen een samenhangend fenomeen dat gemakkelijk kan worden uitgebreid naar diverse fysieke systemen zoals ultrakoude atomen, synthetische frequentieroosters en kwantumwandelingen. De visuele observatie van fotonische FBO's is een sleutel tot het begrijpen van het onderliggende transportmechanisme, dat een aanzienlijke impact heeft op zowel fundamenteel onderzoek als praktische toepassingen.
Voor fundamenteel onderzoek maken de eenvoudige visualisatie van het fenomeen en de hoge controle van de gefabriceerde structuur verdere verkenning mogelijk van een tak van fundamentele verschijnselen waarbij FBO's betrokken zijn, zoals de wisselwerking tussen FBO's en binaire roosters, niet-hermitische roosters en optische niet-lineariteit.
Voor praktische toepassingen kan de gedemonstreerde manipulatie van optische golven worden geïmplementeerd in diverse golfsystemen en kan dit nieuw inzicht bieden in brede toepassingen op het gebied van golfmanipulatie, signaalverwerking, hoogefficiënte frequentieconversie en precisiemeting.