Elektronendynamica Herschreven Door Super-Bloch Oscillaties

Observaties van super-Bloch-oscillaties voor optische pulsen in een tijdsrooster gecreëerd via twee gekoppelde vezellussen, die een ineenstorting vertonen met een verdwijnende oscillatie-amplitude onder specifieke aandrijfkracht. Credit: Xinyuan Hu (Huazhong University of Science and Technology

Onderzoekers boeken vooruitgang in periodieke oscillaties en transport voor optische pulsen, met potentieel voor optische communicatie en signaalverwerking van de volgende generatie.

Onderzoekers hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt in de golffysica door experimenten uit te voeren met Super-Bloch Oscillations (SBO's), die het potentieel voor het manipuleren van optische pulsen aantonen. Door zowel DC- als bijna ontstemde AC-elektrische velden toe te passen, observeerden ze niet alleen voor het eerst SBO-instorting, maar breidden ze deze oscillaties ook uit naar willekeurige golfaandrijfsituaties, wat de weg vrijmaakte voor innovatieve optische communicatietechnologieën.

Volledige coherente controle van golftransport en -lokalisatie is een langgezocht doel in golffysicaonderzoek, dat veel verschillende gebieden omvat, van vastestoffysica tot materiegolffysica en fotonica. Een van de belangrijkste en meest fascinerende coherente transporteffecten is Bloch-oscillatie (BO), wat verwijst naar de periodieke oscillerende beweging van elektronen in vaste stoffen onder een elektrisch veld dat gelijkstroom (DC) aandrijft. Super-Bloch oscillaties (SBO's) zijn gigantische oscillerende bewegingen die worden bereikt door gelijktijdig ontstemde DC- en AC-aandrijvende elektrische velden toe te passen. SBO's worden beschouwd als versterkte versies van BO's en krijgen minder aandacht dan gewone BO's, voornamelijk omdat hun experimentele observaties uitdagender zijn en een veel langere deeltjescoherentietijd vereisen.

Een uniek kenmerk van SBO's is het bestaan ​​van coherente oscillatie-inhibitie door een AC-aandrijvend renormalisatie-effect, dat zich manifesteert als de lokalisatie van een oscillatiepatroon met een verdwijnende oscillatie-amplitude. Dit interessante fenomeen, dat de "ineenstorting" van SBO wordt genoemd, treedt doorgaans op in het sterke AC-aandrijvende regime, wat niet is bereikt in eerdere experimenten van SBO's op basis van elektronische en andere systemen. Alle huidige theoretische en experimentele studies naar SBO's zijn beperkt tot de eenvoudigste sinusvormige AC-aandrijvende gevallen, dus de SBO stort in onder meer algemene AC-aandrijvende formaten, en het vermogen om SBO's te benutten voor flexibele coherente golfmanipulatie, blijft ook onontgonnen.

Gesimuleerde en gemeten resultaten van SBO's in fotonische temporele roosters. (a) SBO-oscillatieamplitude ASBO's als functie van de wisselstroomaandrijvende amplitude Ew en de inverse frequentieontstemming 1/d. (b) SBO-oscillatieperiode MSBO's als functie van de inverse frequentieontstemming 1/d. De inset-figuur toont MSBO's als functie van d. (c) Initiële oscillatiefase van SBO's versus het initiële Bloch-momentum k voor Ew = 1,8, N = 1, j = p/2 en d = p/150. (d)-(g) Gemeten pulsintensiteitsevoluties voor Ew = 1,8, 3, 3,8 en 5,3 onder d = p/150. (h) Experimentele pulsintensiteitsevolutie voor Ew = 5,3 en d = p/90. Credit: Hu et al., doi 10.1117/1.AP.6.4.046001

In een recent onderzoek gingen onderzoekers van Wuhan National Laboratory for Optoelectronics and School of Physics, Huazhong University of Science and Technology (HUST) en Polytechnic University of Milan deze problemen te lijf. Zoals gerapporteerd in Advanced Photonics, bereikten de onderzoekers met succes SBO's tot aan het sterke aandrijfregime door zowel een DC-aandrijvend als een bijna ontstemd AC-aandrijvend elektrisch veld te combineren in het synthetische temporale rooster. Voor het eerst observeerden ze het SBO-instortingseffect en breidden ze SBO's uit naar willekeurige-golf-aandrijfsituaties.

Met de flexibele regelbaarheid van het aanpassen van de synthetische DC- en AC-elektrische velden, observeerden de onderzoekers de kenmerken van verdwijnende oscillatieamplitude en omkering van de initiële oscillatierichting bij specifieke aandrijfamplitudes, wat de duidelijke kenmerken van SBO-instorting laat zien. Voor een sinusvormige AC-aansturing laten ze zien dat naarmate de amplitude-frequentieverhouding van het AC-aansturingsveld de wortel van de eerste-orde Bessel-functie neemt, de SBO-instorting optreedt, wat zich manifesteert als een volledige remming van oscillatie met een verdwijnende oscillatieamplitude en de omkering van de initiële oscillatierichting door het kruisen van het instortingspunt.

De karakteristieke snelle swingkenmerken van SBO's en de instorting van SBO's zijn ook geanalyseerd vanuit het Fourier-spectrum van oscillatiepatronen. Door SBO's te generaliseren van de sinusvormige aansturing naar een willekeurige-golf-aansturingsformaat, observeerden de onderzoekers ook de gegeneraliseerde SBO's met instelbare instortingsomstandigheden. Ten slotte maakt het rapport gebruik van de oscillatierichting-omkeerfunctie om instelbare temporale bundelrouters en splitters te ontwerpen.