Elektronendynamik neu definiert durch Super-Bloch-Oszillationen

Beobachtungen von Super-Bloch-Oszillationen für optische Impulse in einem zeitlichen Gitter, das über zwei gekoppelte Faser-Schleifen erzeugt wird und einen Zusammenbruch mit verschwindender Oszillationsamplitude unter spezifischer Antriebsstärke zeigt. Urheber: Xinyuan Hu (Huazhong-Universität für Wissenschaft und Technologie)

Forscher erzielen Fortschritte bei periodischen Oszillationen und Transport für optische Impulse, mit Potenzial für optische Kommunikation der nächsten Generation und Signalverarbeitung.

Forscher haben signifikante Fortschritte in der Wellenphysik erzielt, indem sie Experimente zu Super-Bloch-Oszillationen (SBOs) durchgeführt haben, die das Potenzial zur Manipulation optischer Impulse zeigen. Durch Anwendung sowohl von Gleichstrom- als auch von nahezu abgestimmten Wechselstrom-Elektrofeldern haben sie nicht nur erstmals den SBO-Zusammenbruch beobachtet, sondern auch diese Oszillationen auf beliebige Wellenantriebssituationen erweitert, was den Weg für innovative optische Kommunikationstechnologien ebnet.

Die vollständige kohärente Kontrolle von Wellentransport und -lokalisation ist ein lang ersehntes Ziel in der Wellenphysik-Forschung, die viele verschiedene Bereiche von Festkörpern bis hin zur Materiewellen-Physik und Photonik umfasst. Einer der wichtigsten und faszinierendsten kohärenten Transporteffekte ist die Bloch-Oszillation (BO), die die periodische oszillatorische Bewegung von Elektronen in Festkörpern unter einem Gleichstrom-(DC)-Antriebs-Elektrofeld beschreibt. Super-Bloch-Oszillationen (SBOs) sind riesige oszillatorische Bewegungen, die durch die gleichzeitige Verwendung abgestimmter DC- und AC-angetriebener elektrischer Felder erreicht werden. Als verstärkte Versionen von BOs erhalten SBOs weniger Aufmerksamkeit als gewöhnliche BOs, hauptsächlich weil ihre experimentelle Beobachtung anspruchsvoller ist und eine viel längere Teilchen-Kohärenzzeit erfordert.

Ein einzigartiges Merkmal von SBOs ist das Vorhandensein einer kohärenten Oszillationsinhibition durch einen AC-Antriebs-Renormierungseffekt, der sich als Lokalisierung eines Oszillationsmusters mit einer verschwindenden Oszillationsamplitude darstellt. Dieses interessante Phänomen, als "Zusammenbruch" von SBO bezeichnet, tritt typischerweise im starken AC-Antriebsbereich auf, der in früheren Experimenten von SBOs auf elektronischen und anderen Systemen nicht erreicht wurde. Alle bisherigen theoretischen und experimentellen Studien zu SBOs wurden auf die einfachsten sinusförmigen AC-Antriebsfälle beschränkt, daher bleiben der SBO-Zusammenbruch unter allgemeineren AC-Antriebsformaten und die Fähigkeit, SBOs zur flexiblen kohärenten Wellenmanipulation zu nutzen, ebenfalls unerforscht.

Simulierte und gemessene Ergebnisse von SBOs in Photonischen Zeitgittern. (a) SBO-Oszillationsamplitude ASBOs als Funktion der AC-Antriebsamplitude Ew und der inversen Frequenzdetuning 1/d. (b) SBO-Oszillationsperiode MSBOs als Funktion des inversen Frequenzdetuning 1/d. Die eingefügte Abbildung zeigt MSBOs als Funktion von d. (c) Anfangs-Oszillationsphase der SBOs gegen den anfänglichen Bloch-Impuls k für Ew = 1,8, N = 1, j = p/2 und d = p/150. (d)-(g) Gemessene Pulsschintensitätentwicklung für Ew = 1,8, 3, 3,8 und 5,3 unter d = p/150. (h) Experimentelle Pulsschintensitätentwicklung für Ew = 5,3 und d = p/90. Urheber: Hu et al., doi 10.1117/1.AP.6.4.046001

In einer kürzlich durchgeführten Studie haben Forscher des Wuhan National Laboratory for Optoelectronics and School of Physics, Huazhong-Universität für Wissenschaft und Technologie (HUST) und der Polytechnischen Universität Mailand sich diesen Problemen angenommen. Wie in Advanced Photonics berichtet, haben die Forscher durch die Kombination eines Gleichstrom- und eines nahezu abgestimmten Wechselstrom-Elektrofeldes im synthetischen zeitlichen Gitter erfolgreich SBOs bis in den starken Antriebsbereich erreicht. Zum ersten Mal haben sie den SBO-Zusammenbruchseffekt beobachtet und SBOs in beliebige Wellenantriebssituationen erweitert.

Mit der flexiblen Steuerbarkeit durch Anpassen der synthetischen Gleichstrom- und Wechselstrom-Elektrofelder beobachten die Forscher die Merkmale der verschwindenden Oszillationsamplitude und der Umkehr der anfänglichen Oszillationsrichtung bei spezifischen Antriebsamplituden, was die klaren Anzeichen für den SBO-Zusammenbruch zeigt. Bei sinusförmigem AC-Antrieb zeigen sie, dass bei Annäherung des Amplituden-zum-Frequenz-Verhältnisses des AC-Antriebsfeldes an die Wurzel der Besselfunktion erster Ordnung der SBO-Zusammenbruch auftritt, der sich als komplette Hemmung der Oszillation mit einer verschwindenden Oszillationsamplitude sowie der Umkehr der anfänglichen Oszillationsrichtung beim Überschreiten des Zusammenbruchspunkts zeigt.

Die charakteristischen schnellen Schwingungsmerkmale von SBOs und der Zusammenbruch von SBOs wurden auch vom Fourier-Spektrum der Oszillationsmuster analysiert. Durch die Verallgemeinerung von SBOs von der sinusförmigen Anregung auf ein beliebiges Wellenantriebsformat haben die Forscher auch die generalisierten SBOs mit einstellbaren Zusammenbruchsbedingungen beobachtet. Schließlich nutzt der Bericht das Merkmal der Umkehr der Oszillationsrichtung, um einstellbare zeitliche Strahlrouter und -teiler zu entwerfen.

Laut dem entsprechenden Autor Stefano Longhi, Professor am Polytechnikum Mailand, "realisiert diese Arbeit periodische Schwingungen und den Transport von optischen Impulsen, die auch vielfältige Anwendungen in der zeitlichen Strahlsteuerung bei der Lichtleitung, -aufteilung und -lokalisierung für optische Kommunikation und Signalverarbeitung der nächsten Generation finden können."