Dynamique électronique redéfinie à travers les super-oscillations de Bloch

Observations of super-Bloch oscillations for optical pulses in a temporal lattice created via two coupled fiber loops, which exhibit collapse with vanishing oscillation amplitude under specific driving strength. Crédit: Xinyuan Hu (Université des sciences et technologies de Huazhong)

Les chercheurs ont réalisé des avancées dans les oscillations périodiques et le transport des impulsions optiques, avec un potentiel pour la communication optique de prochaine génération et le traitement des signaux.

Les chercheurs ont réalisé d'importantes avancées en physique des ondes en menant des expériences sur les oscillations de super-Bloch (SBO), qui démontrent le potentiel de manipulation des impulsions optiques. En appliquant à la fois des champs électriques CC et alternatifs pratiquement désaccordés, ils ont non seulement observé l'effondrement de SBO pour la première fois, mais ont également étendu ces oscillations à des situations de conduite d'ondes arbitraires, ouvrant la voie à des technologies de communication optique innovantes.

Le contrôle cohérent complet du transport et de la localisation des ondes est un objectif depuis longtemps recherché dans la recherche en physique des ondes, qui englobe de nombreux domaines différents, de la physique des solides à la physique des ondes de matière et à la photonique. L'un des effets de transport cohérent les plus importants et les plus fascinants est l'oscillation de Bloch (BO), qui se réfère au mouvement oscillatoire périodique des électrons dans les solides sous l'effet d'un champ électrique continu (CC). Les oscillations de super-Bloch (SBO) sont des mouvements oscillatoires géants obtenus en appliquant simultanément des champs électriques CC et CA pratiquement désaccordés. Considérées comme des versions amplifiées des BO, les SBO reçoivent moins d'attention que les BO ordinaires principalement parce que leurs observations expérimentales sont plus difficiles et nécessitent un temps de cohérence des particules beaucoup plus long.

Une caractéristique unique des SBO est l'existence de l'inhibition de l'oscillation cohérente grâce à un effet de renormalisation de la conduite CA, qui se manifeste par la localisation d'un motif d'oscillation avec une amplitude d'oscillation nulle. Surnommé « l'effondrement » de SBO, ce phénomène intéressant se produit généralement dans le régime de conduite CA forte, qui n'a pas été atteint dans les expériences précédentes sur les SBO basées sur l'électronique et d'autres systèmes. Toutes les études théoriques et expérimentales actuelles sur les SBO se sont limitées aux cas de conduite CA sinusoidale les plus simples, donc l'effondrement de SBO dans des formats de conduite CA plus généraux, et la capacité à exploiter les SBO pour une manipulation cohérente des ondes flexible, restent également inexplorés.

Résultats simulés et mesurés des SBO dans les réseaux temporels photoniques. (a) Amplitude d'oscillation SBO ASBOs en fonction de l'amplitude de la conduite en CA Ew et du désaccord de fréquence inverse 1/d. (b) Période d'oscillation SBO MSBOs en fonction du désaccord de fréquence inverse 1/d. La figure en encart montre MSBOs en fonction de d. (c) Phase d'oscillation initiale des SBO par rapport à l'impulsion de Bloch initiale k pour Ew = 1,8, N = 1, j = p/2 et d = p/150. (d)-(g) Évolutions mesurées de l'intensité des impulsions pour Ew = 1,8, 3, 3,8 et 5,3 sous d = p/150. (h) Évolution expérimentale de l'intensité des impulsions pour Ew = 5,3 et d = p/90. Crédit: Hu et al., doi 10.1117/1.AP.6.4.046001

Dans une étude récente, des chercheurs du Laboratoire national de Wuhan pour l'optoélectronique et de l'École de physique, de l'Université des sciences et technologies de Huazhong (HUST), et de l'Université polytechnique de Milan ont entrepris de s'attaquer à ces problèmes. Comme rapporté dans Advanced Photonics, en combinant à la fois un champ électrique en CC et un champ électrique en CA pratiquement désaccordé dans le réseau temporel synthétique, les chercheurs ont réussi à atteindre les SBO jusqu'au régime de conduite forte. Pour la première fois, ils ont observé l'effet d'effondrement de SBO et ont étendu les SBO dans des situations de conduite d'ondes arbitraires.

Avec la contrôlabilité flexible en adaptant les champs électriques CC et CA synthétiques, les chercheurs observent les caractéristiques de l'amplitude d'oscillation nulle et du retournement de la direction d'oscillation initiale à des amplitudes de conduite spécifiques, montrant les signatures claires de l'effondrement de SBO. Pour une conduite en CA sinusoïdale, ils montrent que lorsque le rapport amplitude/fréquence du champ de conduite en CA prend la racine de la fonction de Bessel d'ordre un, l'effondrement de SBO se produit, se manifestant par une inhibition complète de l'oscillation avec une amplitude d'oscillation nulle ainsi que le retournement de la direction d'oscillation initiale en franchissant le point d'effondrement.

Les caractéristiques de balancement rapide des SBO et l'effondrement des SBO ont également été analysés à partir du spectre de Fourier des motifs d'oscillation. En généralisant les SBO de la conduite sinusoïdale à un format de conduite d'ondes arbitraire, les chercheurs ont également observé les SBO généralisés avec des conditions d'effondrement réglables. Enfin, le rapport exploite la fonctionnalité de retournement de la direction d'oscillation pour concevoir des routeurs et des diviseurs de faisceau temporel réglables.

Selon l'auteur correspondant Stefano Longhi, professeur à l'Institut polytechnique de Milan, "Ce travail réalise des oscillations périodiques et le transport de impulsions optiques, qui pourraient également trouver de larges applications dans le contrôle polyvalent des faisceaux temporels dans le routage, la division et la localisation de la lumière pour les communications optiques de prochaine génération et le traitement des signaux." Référence : "Observation de l'effondrement des super-oscillations de Bloch dans des réseaux temporels photoniques à fort entraînement" par Xinyuan Hu, Shulin Wang, Chengzhi Qin, Chenyu Liu, Lange Zhao, Yinglan Li, Han Ye, Weiwei Liu, Stefano Longhi, Peixiang Lu et Bing Wang, 2 juillet 2024, Advanced Photonics. DOI : 10.1117/1.AP.6.4.046001