Фемтосекундний лазерний прямий запис блоховських коливань в оптичних решітках Флоке

28 квітня 2024 року команда професора Шу Сюевень з Науково-технічного університету Хуачжун (HUST) у співпраці з командою професора Сунь Сянькая з Китайського університету Гонконгу (CUHK) опублікувала останні результати дослідження Візуальне спостереження фотонних Коливання Флоке-Блоха.
Блоховські осциляції — це класичне явище когерентного квантового переносу, що проявляється у вигляді періодичних коливань квантових частинок у періодичному потенційному полі під дією прикладеної постійної сили. Як фундаментальний фізичний ефект блоховські коливання були виявлені та досліджені в різноманітних системах, таких як напівпровідникові надґратки, ультрахолодні атоми, зв’язані хвилеводні масиви та синтетичні розмірні фотонні ґратки тощо. Пов’язані результати досліджень не лише сприяють розвитку фундаментальних, дослідження фізики, а також надають нові ідеї та методи для гнучкого маніпулювання еволюцією хвильової функції. Проте дослідження явища коливань Блоха в основному зосереджені на статичних системах, а явище коливань Блоха в системах з періодичним приводом (Флоке) потребує подальшого поглибленого вивчення.

Рис. 1. (a) Схема фемтосекундного лазерного хвилеводного масиву прямого запису. (b) Фотографія поперечного перерізу експериментально підготовленого зразка. (c) Вид зверху фотографії експериментально підготовленого зразка.
Щоб вирішити цю проблему, у цьому дослідженні досліджується явище коливань Блоха в системі Фроше з використанням одновимірної решітки зігнутих хвилеводів, отриманої фемтосекундним лазерним прямим записом, пропонується загальна теорія явища коливань Блоха в оптичній решітці Фроше та експериментально візуалізується та спостерігає явище оптичних коливань Фроше-Блоха. Як показано на рис. 1, траєкторія вигину хвилеводу в масиві є складеною траєкторією, що складається з кругового вигину, накладеного на періодичний вигин. Згідно з наближенням вечірньої осі, рівняння флуктуації, що описує еволюцію транспорту світла в цій хвилеводній решітці, математично еквівалентне рівнянню Шредінгера, що описує залежну від часу еволюцію електронів у періодичному потенційному полі під дією прикладеного електричного поля, і напрямок переносу світла в хвилеводній решітці еквівалентний часовому члену в рівнянні Шредінгера. Кривизна траєкторії вигину хвилеводу розглядається як еквівалентна сила електричного поля, що діє на світлову хвилю, що проходить, де кругова траєкторія вигину створює еквівалентну постійну силу електричного поля, що призводить до коливань Блоха, а траєкторія періодичного вигину створює еквівалентне періодичне електричне поле сила введення модуляції Фронке. Таким чином, решітка хвилеводів дозволяє спостерігати явище коливань Блоха в оптичній решітці Флоке.

Рисунок 2. (a)-(d) Експериментальні спостереження при одному хвилеводному збудженні. (e)-(h) Експериментальні спостереження при збудженні широким пучком.
У цьому дослідженні еволюцію безперервної передачі світлових хвиль у хвилеводних масивах візуалізували та спостерігали за допомогою хвилевідної флуоресцентної мікроскопії. На рис. 2 показано режими дихання та коливання явища коливань Блоха в оптичній решітці Фроке для одного хвилеводу та широкого падіння променя відповідно. Коли період модуляції Флоке не дорівнює будь-якому цілому кратному періоду коливань Блоха, дисперсія Флоке постійна і дорівнює нулю, а оптичні коливання Флоке-Блоха з періодом, який є найменшим спільним кратним періоду модуляції Флоке та Блоха виникає період коливань. В решті випадків дисперсія Флоке вже не дорівнює 0, і пропускання світла зазвичай характеризується дифузною дифракцією. Крім того, дослідники теоретично та експериментально дослідили вплив параметрів модуляції Флокея на оптичні коливання Флокея-Блоха, виявивши унікальну еволюційну природу явища, включаючи фрактальні спектральні властивості, пов’язані з періодом модуляції Флокея та дробовим порядком Флокея. властивості тунелювання, пов'язані з амплітудою модуляції Flokay.

Рис. 3. (а) Фрактальні спектральні властивості оптичних коливань Фроке-Блоха. (b) Дробовий порядок тунельних властивостей Флоке-Блоха оптичних коливань Флоке-Блоха.
Візуальне спостереження за оптичними коливаннями Флоке-Блоха відкриває новий механізм еволюції хвильової функції, який має велике значення як для фундаментальних досліджень, так і для практичних застосувань. З точки зору фундаментальних досліджень, теоретична модель та експериментальна платформа підтримують подальше дослідження нових явищ, що виникають у результаті взаємодії дизайну та модуляції коливань Фрохіке-Блоха з бінарними ґратками, неермівськими ґратками та оптичними нелінійностями; і з точки зору практичного застосування, оптичні коливання Фрохіке-Блоха є, по суті, явищем когерентного переносу, і, отже, можуть бути в практичних застосуваннях, оптичні коливання Флоке-Блоха, по суті, явищем когерентного переносу, і тому їх можна поширити на різноманітні дослідження. такі платформи, як синтетичні решітки в частотній області, холодні атоми, просторово-часові кристали та квантові блукання, і очікується, що вони будуть використовуватися для здійснення перетворення частоти, точних вимірювань і маніпулювання різноманітними передачами хвиль.