Dinámica de Electrones Redefinida a Través de Oscilaciones Super-Bloch

Observaciones de superoscilaciones de Bloch para pulsos ópticos en un enrejado temporal creado a través de dos bucles de fibra acoplados, que exhiben colapso con amplitud de oscilación desvanecida bajo una fuerza de conducción específica. Crédito: Xinyuan Hu (Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong)

Los investigadores logran avances en oscilaciones periódicas y transporte para pulsos ópticos, con potencial para las comunicaciones ópticas de próxima generación y el procesamiento de señales.

Los investigadores han logrado avances significativos en la física de ondas al realizar experimentos sobre Oscilaciones Super-Bloch (SBOs), que demuestran el potencial para manipular pulsos ópticos. Al aplicar campos eléctricos tanto de corriente continua (DC) como de corriente alterna (AC) casi desintonizados, no solo observaron por primera vez el colapso de SBO sino que también extendieron estas oscilaciones a situaciones de conducción de onda arbitraria, allanando el camino para tecnologías innovadoras de comunicación óptica.

El control completo coherente del transporte y la localización de ondas es un objetivo largamente buscado en la investigación de física de ondas, que abarca diferentes áreas desde física de estado sólido hasta física de ondas de materia y fotónica. Uno de los efectos de transporte coherente más importantes y fascinantes es la oscilación de Bloch (BO), que se refiere al movimiento oscilatorio periódico de electrones en sólidos bajo un campo eléctrico de conducción de corriente continua (DC). Las superoscilaciones de Bloch (SBOs) son movimientos oscilatorios gigantes logrados aplicando simultáneamente campos eléctricos de conducción de corriente continua (DC) y corriente alterna (AC) desintonizados. Consideradas versiones amplificadas de las BOs, las SBOs reciben menos atención que las BOs ordinarias principalmente porque sus observaciones experimentales son más desafiantes y requieren un tiempo de coherencia de partículas mucho más largo.

Una característica única de las SBOs es la existencia de inhibición coherente de la oscilación a través de un efecto de renormalización de conducción alterna, que se manifiesta como la localización de un patrón de oscilación con una amplitud de oscilación desvanecida. Denominado el "colapso" de SBO, este fenómeno interesante ocurre típicamente en el régimen de conducción de corriente alterna fuerte, que no se ha logrado en experimentos previos de SBOs basados en sistemas electrónicos y otros. Todos los estudios teóricos y experimentales actuales sobre SBOs se han limitado a casos de conducción de corriente alterna sinusoidal simples, por lo que el colapso de SBO bajo formatos de conducción de corriente alterna más generales y la capacidad de aprovechar las SBOs para una manipulación coherente de ondas flexible también siguen sin explorarse.

Resultados simulados y medidos de SBOs en enrejados temporales fotónicos. (a) Amplitud de oscilación SBO ASBOs en función de la amplitud de conducción AC Ew y la desintonización de la frecuencia inversa 1/d. (b) Período de oscilación SBO MSBOs en función de la desintonización de la frecuencia inversa 1/d. La figura en el recuadro muestra MSBOs en función de d. (c) Fase de oscilación inicial de SBOs versus el momento de Bloch inicial k para Ew = 1.8, N = 1, j = p/2 y d = p/150. (d)-(g) Evolución de la intensidad del pulso medida para Ew = 1.8, 3, 3.8 y 5.3 bajo d = p/150. (h) Evolución experimental de la intensidad del pulso para Ew = 5.3 y d = p/90. Crédito: Hu et al., doi 10.1117/1.AP.6.4.046001

En un estudio reciente, investigadores del Laboratorio Nacional de Wuhan para Optoelectrónica y la Escuela de Física de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong (HUST), y la Universidad Politécnica de Milán se propusieron abordar estos problemas. Según lo informado en Advanced Photonics, al combinar un campo eléctrico de conducción de corriente continua (DC) y un campo eléctrico de conducción de corriente alterna (AC) casi desintonizado en el enrejado temporal sintético, los investigadores lograron con éxito SBOs hasta el régimen de conducción fuerte. Por primera vez, observaron el efecto de colapso de SBO y extendieron las SBOs a situaciones de conducción de onda arbitraria.

Con la controlabilidad flexible al adaptar los campos eléctricos sintéticos de CC y CA, los investigadores observan las características de amplitud de oscilación desvanecida y cambio de dirección de oscilación inicial en amplitudes de conducción específicas, mostrando las claras señales del colapso de SBO. Para una conducción de corriente alterna sinusoidal, muestran que a medida que la relación amplitud-frecuencia del campo de conducción CA toma la raíz de la función de Bessel de primer orden, ocurre el colapso de SBO, manifestándose como una inhibición completa de la oscilación con una amplitud de oscilación desvanecida, así como el cambio de la dirección de la oscilación inicial al cruzar el punto de colapso.

Los característicos movimientos rápidos de oscilación de SBO y el colapso de SBO también han sido analizados a partir del espectro de Fourier de los patrones de oscilación. Al generalizar las SBOs desde la conducción sinusoidal a un formato de conducción de onda arbitrario, los investigadores también observaron las SBOs generalizadas con condiciones de colapso ajustables. Finalmente, el informe explota la característica de cambio de dirección de la oscilación para diseñar enrutadores y divisores de haz temporales ajustables.

Según el autor correspondiente Stefano Longhi, profesor en el Instituto Politécnico de Milán, "Este trabajo realiza oscilaciones periódicas y transporte para pulsos ópticos, que también pueden encontrar amplias aplicaciones en el control versátil de haces temporales en enrutamiento de luz, división y localización para comunicaciones ópticas de próxima generación y procesamiento de señales."