Dinamica degli Elettroni Ridefinita Attraverso le Oscillazioni Super-Bloch

Osservazioni delle super oscillazioni di Bloch per impulsi ottici in una griglia temporale creata tramite due anelli in fibra accoppiati, che mostrano il collasso con la scomparsa dell'ampiezza di oscillazione sotto una specifica intensità di guida. Crediti: Xinyuan Hu (Università di Scienza e Tecnologia dell'Huazhong)

I ricercatori hanno ottenuto progressi nelle oscillazioni periodiche e nel trasporto degli impulsi ottici, con potenziale per le comunicazioni ottiche di prossima generazione e l'elaborazione dei segnali.

I ricercatori hanno ottenuto significativi progressi nella fisica delle onde conducendo esperimenti sulle Oscillazioni Super-Bloch (SBO), che dimostrano il potenziale per manipolare gli impulsi ottici. Applicando campi elettrici CC e quasi sintonizzati AC, non solo hanno osservato per la prima volta il collasso delle SBO ma hanno anche esteso queste oscillazioni a situazioni di guida d'onda arbitraria, aprendo la strada a innovative tecnologie di comunicazione ottica.

Il pieno controllo coerente del trasporto e della localizzazione dell'onda è un obiettivo da tempo cercato nella ricerca sulla fisica delle onde, che comprende molte aree diverse dalla fisica dello stato solido alla fisica delle onde di materia e alla fotonica. Uno degli effetti di trasporto coerente più importanti e affascinanti è l'oscillazione di Bloch (BO), che si riferisce al movimento oscillatorio periodico degli elettroni nei solidi sotto un campo elettrico di guida a corrente continua (CC). Le oscillazioni Super-Bloch (SBO) sono grandi movimenti oscillatori ottenuti applicando contemporaneamente campi elettrici di guida CC e AC quasi sintonizzati. Considerate versioni amplificate delle BO, le SBO ricevono meno attenzione rispetto alle BO ordinarie principalmente perché le loro osservazioni sperimentali sono più impegnative e richiedono un tempo di coerenza delle particelle molto più lungo.

Una caratteristica unica delle SBO è l'esistenza dell'inibizione coerente delle oscillazioni tramite un effetto di rinnormalizzazione della guida AC, che si manifesta come la localizzazione di un modello di oscillazione con un'ampiezza di oscillazione che tende a zero. Chiamato il "collasso" delle SBO, questo interessante fenomeno si verifica tipicamente nel regime di guida AC forte, che non era stato raggiunto nei precedenti esperimenti sulle SBO basati su sistemi elettronici e altri. Tutti gli attuali studi teorici ed sperimentali sulle SBO sono stati limitati ai casi di guida AC sinusoidali più semplici, quindi il collasso delle SBO in formati di guida AC più generali e la capacità di sfruttare le SBO per una manipolazione flessibile e coerente dell'onda rimangono inesplorati.

Risultati simulati e misurati delle SBO nelle griglie temporali fotoniche. (a) Amplitudine di oscillazione delle SBO come funzione dell'ampiezza di guida AC Ew e della sintonia inversa della frequenza 1/d. (b) Periodo di oscillazione delle SBO MSBO come funzione della sintonia inversa della frequenza 1/d. La figura inserita mostra MSBO come funzione di d. (c) Fase di oscillazione iniziale delle SBO rispetto al momento di Bloch iniziale k per Ew = 1.8, N = 1, j = p/2 e d = p/150. (d)-(g) Evoluzione dell'intensità dell'impulso misurata per Ew = 1.8, 3, 3.8 e 5.3 sotto d = p/150. (h) Evoluzione dell'intensità dell'impulso sperimentale per Ew = 5.3 e d = p/90. Credito: Hu et al., doi 10.1117/1.AP.6.4.046001

In un recente studio, i ricercatori del Laboratorio Nazionale di Optoelettronica di Wuhan e della Scuola di Fisica dell'Università di Scienza e Tecnologia dell'Huazhong (HUST) e dell'Università Politecnica di Milano hanno affrontato questi problemi. Come riportato in Advanced Photonics, combinando sia un campo elettrico di guida CC che un campo elettrico di guida AC quasi sintonizzato nella griglia temporale sintetica, i ricercatori hanno ottenuto con successo SBO fino al regime di guida forte. Per la prima volta, hanno osservato l'effetto di collasso delle SBO ed esteso le SBO a situazioni di guida d'onda arbitraria.

Con la flessibile controllabilità derivante dalla personalizzazione dei campi elettrici AC e CC sintetici, i ricercatori osservano le caratteristiche dell'ampiezza di oscillazione che tende a zero e l'inversione della direzione di oscillazione iniziale a specifiche ampiezze di guida, mostrando i chiari segni del collasso delle SBO. Per una guida AC sinusoidale, mostrano che quando il rapporto ampiezza-frequenza del campo di guida AC assume la radice della funzione di Bessel del primo ordine, si verifica il collasso delle SBO, manifestandosi come un'inibizione completa dell'oscillazione con un'ampiezza di oscillazione che tende a zero e l'inversione della direzione di oscillazione iniziale attraversando il punto di collasso.

Le caratteristiche dei rapidi cambiamenti delle SBO e il collasso delle SBO sono stati analizzati anche dallo spettro di Fourier dei modelli di oscillazione. Generalizzando le SBO dalla guida sinusoidale a un formato di guida d'onda arbitrario, i ricercatori hanno osservato anche le SBO generalizzate con condizioni di collasso regolabili. Infine, la relazione sfrutta la caratteristica dell'inversione della direzione di oscillazione per progettare router di fasci temporali regolabili e divisori.

Secondo l'autore corrispondente Stefano Longhi, professore presso il Politecnico di Milano, "Questo lavoro realizza oscillazioni periodiche e il trasporto per impulsi ottici, che potrebbero trovare ampie applicazioni nel versatile controllo del fascio temporale nel routing della luce, la divisione e la localizzazione per le comunicazioni ottiche e l'elaborazione del segnale di prossima generazione."