Dynamika elektronów zdefiniowana na nowo poprzez super-bloczne oscylacje

Obserwacje super-Bloch oscylacji dla impulsów optycznych w sieci czasowej utworzonej za pomocą dwóch sprzężonych pętli włókienniczych, które wykazują kolaps z zanikającą amplitudą oscylacji pod określoną siłą napędową. Autorzy: Xinyuan Hu (Uniwersytet Nauki i Technologii Huazhong)

Badacze osiągają postępy w oscylacjach okresowych i transporcie dla impulsów optycznych, mogące znaleźć zastosowanie w komunikacji optycznej nowej generacji i przetwarzaniu sygnałów.

Badacze osiągnęli znaczące postępy w fizyce falowej, przeprowadzając eksperymenty nad Oscylacjami Super-Blocha (SBO), które wykazują potencjał manipulowania impulsami optycznymi. Poprzez zastosowanie zarówno stałego prądu stałego, jak i praktycznie niezmienionego pola elektrycznego przemiennego, obserwowali nie tylko kolaps SBO po raz pierwszy, ale także rozszerzyli te oscylacje na dowolne sytuacje napędowe fali, otwierając drogę do innowacyjnych technologii komunikacji optycznej.

Pełna spójna kontrola transportu fali i lokalizacji to długo poszukiwany cel badań w fizyce falowej, który obejmuje wiele różnych obszarów od fizyki ciała stałego po fizykę fal materii i fotonikę. Jednym z najważniejszych i fascynujących efektów spójnego transportu jest oscylacja Blocha (BO), która odnosi się do okresowego oscylacyjnego ruchu elektronów w ciałach stałych pod wpływem stałego prądu stałego. Super-Bloch oscylacje (SBO) to gigantyczne ruchy oscylacyjne osiągane poprzez jednoczesne zastosowanie niezmienionego prądu stałego i zmienionego pola elektrycznego przemiennego. Uważane za wzmocnione wersje BO, SBO otrzymały mniej uwagi niż zwykłe BO głównie dlatego, że ich obserwacje eksperymentalne są trudniejsze i wymagają znacznie dłuższego czasu koherencji cząstek.

Jedną z unikalnych cech SBO jest istnienie hamowania spójnych oscylacji poprzez efekt renormalizacji AC-drivingu, który objawia się lokalizacją wzorca oscylacji z zanikającą amplitudą oscylacji. Nazwany "kolapsem" SBO, ten interesujący fenomen występuje zazwyczaj w silnie aktywnym reżimie AC-drivingu, którego nie osiągnięto w poprzednich eksperymentach SBO opartych na systemach elektronicznych i innych. Wszystkie dotychczasowe studia teoretyczne i eksperymentalne dotyczące SBO były ograniczone do najprostszych przypadków sinusoidalnego AC-drivingu, dlatego też kolaps SBO pod bardziej ogólnymi formatami AC-drivingu oraz możliwość wykorzystania SBO do elastycznego manipulowania falami spójnymi pozostają niezbadane.

Symulowane i zmierzone wyniki SBO w siatkach czasowych fotonicznych. (a) Amplituda oscylacji SBO ASBOs jako funkcja amplitudy napędu prądem przemiennym Ew oraz odwróconego detuningu częstotliwościowego 1/d. (b) Okres oscylacji SBO MSBOs jako funkcja odwróconego detuningu częstotliwościowego 1/d. Rysunek wstawiony pokazuje MSBOs jako funkcję d. (c) Początkowa faza oscylacji SBO w stosunku do początkowego pędu Blocha k dla Ew = 1.8, N = 1, j = p/2 oraz d = p/150. (d)-(g) Zmierzone ewolucje intensywności impulsu dla Ew = 1.8, 3, 3.8 i 5.3 przy d = p/150. (h) Ewolucja intensywności impulsu z eksperymentu dla Ew = 5.3 i d = p/90. Autorzy: Hu i in., doi 10.1117/1.AP.6.4.046001

W niedawnym badaniu badacze z Wuhan National Laboratory for Optoelectronics and School of Physics, Uniwersytetu Nauki i Technologii Huazhong (HUST) oraz Politechniki Mediolańskiej podjęli się rozwiązania tych problemów. Jak donoszą w Advanced Photonics, łącząc zarówno prąd stały, jak i praktycznie niezmienione pole elektryczne przemiennie w syntetycznej sieci czasowej, badacze skutecznie osiągnęli SBO aż do reżimu silnego napędzania. Po raz pierwszy obserwowali efekt kolapsu SBO i rozszerzyli SBO na sytuacje napędowe fal dowolnego typu.

Dzięki elastycznej kontrolowalności poprzez dostosowanie syntetycznych pól elektrycznych stałego prądu stałego i przemiennego, badacze obserwują cechy zanikającej amplitudy oscylacji i zmiany początkowego kierunku oscylacji w określonych amplitudach napędowych, pokazując wyraźne sygnały kolapsu SBO. Dla sinusoidalnego AC-drivingu pokazują, że gdy stosunek amplitudy do częstotliwości pola napędzającego AC wykorzystuje pierwiastek z funkcji Bessela pierwszego rzędu, występuje kolaps SBO, objawiający się kompletnym hamowaniem oscylacji z zanikającą amplitudą oscylacji oraz zmianą początkowego kierunku oscylacji przez przekroczenie punktu kolapsu.

Charakterystyczne cechy gwałtownego oscylacyjnego ruchu SBO oraz kolapsu SBO zostały również zanalizowane z widma Fouriera wzorców oscylacyjnych. Poprzez uogólnienie SBO z napędu sinusoidalnego na napęd fal dowolnego typu, badacze zaobserwowali także uogólnione SBO z regulowanymi warunkami kolapsu. Wreszcie, raport wykorzystuje cechę zmiany kierunku oscylacji do zaprojektowania regulowalnych temporalnych routerów i rozdzielaczy wiązek.

Według odpowiadającego autor Stefano Longhi, profesor Politechniki Mediolańskiej, „Ta praca realizuje okresowe oscylacje i transport dla impulsów optycznych, które mogą również znaleźć szerokie zastosowanie w wszechstronnym kontrolowaniu wiązek czasowych światła w kierowaniu, podziale i lokalizacji dla optycznych komunikacji i przetwarzania sygnałów następnej generacji.”